Baterie ER + LIC pentru IoT: Ghidul bateriilor Li-SOCl2 cu putere de impuls ridicată

Baterie ER + Condensator cu ioni de litiu pentru IoT: Alegerea soluției potrivite cu putere în impulsuri înaltă bazate pe Li-SOCl2

Pe măsură ce tot mai multe dispozitive IoT sunt implementate în domeniul contorizării inteligente, monitorizării la distanță, urmăririi activelor, senzorilor de mediu și automatizării industriale, proiectarea surselor de alimentare devine din ce în ce mai importantă.

Multe dispozitive IoT au o caracteristică comună: consumă foarte puțină energie majoritatea timpului, dar necesită periodic un curent mult mai mare atunci când modulul fără fir se trezește și transmite date.

Aceasta creează o provocare.

O baterie care funcționează excelent sub sarcini continue scăzute nu este întotdeauna optimizată pentru impulsuri scurte, dar de curent înalt. Pe de altă parte, alegerea unei baterii doar pe baza capacității sale de a furniza impulsuri înalte poate duce la creșterea dimensiunii, costului sau a autodescărcării, în mod inutil.

O soluție practică constă în combinarea unei baterii cu clorură de tioni-litiu cu un condensator cu ioni de litiu.

La Cowon, combinațiile tipice includ:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Aceste combinații sunt concepute pentru a echilibra două cerințe importante în echipamentele IoT alimentate cu baterii:

alimentarea energetică pe termen lung și puterea de impuls de scurtă durată.

De ce dispozitivele IoT au nevoie atât de energie, cât și de putere

Un dispozitiv wireless tipic IoT nu consumă curent cu un debit constant.

Ciclul său de funcționare poate arăta astfel:

Stare de repaus → Dezpertare → Măsurare → Transmitere date → Revenire în stare de repaus

În modul de repaus, consumul de curent poate fi extrem de scăzut.

Totuși, când modulul de comunicație este activat, cererea de curent poate crește semnificativ pentru o perioadă scurtă.

Aceasta este frecventă în dispozitivele care folosesc tehnologii de comunicație precum:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• LoRa

• LoRaWAN

• GPS

• Comunicația RF

Aceasta înseamnă că consumul mediu de curent nu este suficient, singur, pentru a alege bateria corectă.

Inginerii trebuie să țină cont și de:

• curentul de vârf,

• durata impulsului,

• frecvența impulsului,

• tensiunea minimă de funcționare,

• temperatură,

• durata de viață prevăzută,

• și spațiul disponibil pentru instalare.

O baterie poate conține suficientă energie totală pentru a alimenta un dispozitiv timp de mulți ani, dar dispozitivul poate totuși ceda dacă tensiunea scade sub tensiunea minimă de funcționare a componentelor electronice în timpul transmisiei.

Aici intervine soluția cu baterie ER + LIC.

Ce este o baterie Li-SOCl2 ER?

Bateriile ER sunt baterii primare pe bază de litiu, care folosesc chimia clorură de tionil de litiu, adesea notată Li-SOCl2.

Acestea oferă în mod tipic o tensiune nominală de 3,6 V și sunt utilizate pe scară largă în echipamente industriale și IoT datorită mai multor caracteristici importante:

• densitate energetică ridicată,

• autodescărcare redusă,

• capacitate de stocare îndelungată,

• tensiune stabilă în timpul descărcării la rată scăzută,

• capacitate largă de funcționare la temperaturi variate,

• și potrivirea pentru funcționarea neasistată pe termen lung.

Dimensiunile obișnuite ale bateriilor ER includ:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 și ER34615.

Celulele mai mici sunt utile atunci când spațiul disponibil pe placă (PCB) și dimensiunile produsului sunt limitate, în timp ce celulele mai mari, cum ar fi ER26500 și ER34615, oferă o cantitate semnificativ mai mare de energie pentru aplicații care necesită o durată mai lungă de funcționare.

Totuși, capacitatea energetică reprezintă doar o parte a proiectării sistemului de alimentare.

De ce adăugați un condensator cu ion-litiu?

Un condensator cu ion-litiu (LIC) este utilizat ca componentă de susținere pentru putere ridicată.

Într-un sistem hibrid de alimentare proiectat corespunzător, bateria ER furnizează energia pe termen lung necesară dispozitivului, în timp ce LIC-ul sprijină perioade scurte de cerințe ridicate de curent.

Un mod simplu de a înțelege această relație este:

Baterie ER = Energia pe termen lung

LIC = Putere pulsantă pe termen scurt

În timpul funcționării normale în stare de repaus, bateria ER susține curentul de fond scăzut.

Când dispozitivul se trezește și modulul fără fir începe să transmită, LIC poate ajuta la furnizarea curentului pulsant suplimentar necesar sarcinii.

După evenimentul de transmisie, sistemul revine în starea sa de consum redus de energie.

Această arhitectură poate contribui la îmbunătățirea stabilității tensiunii în timpul evenimentelor cu curent ridicat și la reducerea solicitărilor electrice directe asupra bateriei principale.

De ce nu folosi doar o baterie Li-SOCl2?

Bateriile Li-SOCl2 sunt deosebit de atractive pentru aplicațiile care necesită o durată lungă de funcționare, datorită autodescărcării reduse și densității energetice ridicate.

Totuși, multe celule ER de mare capacitate sunt optimizate în principal pentru descărcare pe termen lung, la curent scăzut.

O altă caracteristică a chimiei Li-SOCl2 este pasivarea.

În timpul stocării și al funcționării cu curent scăzut, se formează un strat protector pe suprafața litiului. Acest strat contribuie la caracteristicile excelente de stocare și la autodescărcarea scăzută a bateriei.

Totuși, în anumite condiții de funcționare, în special după o stocare prelungită, o creștere bruscă a sarcinii poate provoca o scădere temporară a tensiunii.

Pentru un circuit simplu de putere scăzută, acest lucru poate să nu fie important.

Pentru un modul de comunicare IoT, totuși, scăderea temporară a tensiunii poate fi critică.

Dacă tensiunea sistemului scade sub tensiunea minimă de funcționare a modemului, a MCU sau a circuitului RF, dispozitivul se poate reseta, poate eșua în înregistrarea la rețea sau poate pierde o transmisie de date.

Adăugarea unei LIC adecvat alese poate ajuta la furnizarea curentului de scurtă durată necesar în aceste situații.

Șase configurații ER + LIC pentru diferite cerințe IoT

Produsele IoT diferite necesită combinații diferite de capacitate energetică, capacitate de impuls și dimensiune fizică.

Cowon oferă mai multe configurații ER + LIC pentru a acoperi diverse cerințe de aplicație.

ER10450 + LIC0813

Această combinație compactă este potrivită pentru produse IoT miniaturizate, unde spațiul disponibil pe placă (PCB) și dimensiunea bateriei sunt considerente importante.

Aplicațiile tipice pot include:

• senzori wireless compacți,

• dispozitive mici de monitorizare,

• transmițătoare cu ciclu de funcționare scăzut,

• dispozitive mici de urmărire,

• electronice utilitare compacte.

Este deosebit de potrivită atunci când sistemul necesită o baterie primară mică, dar beneficiază în continuare de un suport suplimentar pentru impulsuri.

ER14250 + LIC0820

ER14250 este o dimensiune comună compactă Li-SOCl2 utilizată în electronica industrială și în produsele inteligente de detectare.

În combinație cu LIC0820, oferă un echilibru util între dimensiuni compacte, funcționare pe termen lung în modul de așteptare și comunicare wireless periodică.

Aplicații posibile includ:

• senzori inteligenți,

• contori utilitari compacți,

• dispozitive de securitate,

• noduri de monitorizare la distanță,

• dispozitive RF cu consum redus de energie.

ER14505 + LIC1020

ER14505 oferă o capacitate energetică superioară, păstrând în același timp un format familiar de tip AA.

Împreună cu LIC1020, această configurație poate fi luată în considerare pentru produse IoT care necesită o perioadă de funcționare mai lungă sau o cerință mai mare de comunicare decât sistemele de baterii mai mici.

Aplicațiile tipice pot include:

• contori inteligenți de apă,

• contori de gaz,

• dispozitive de urmărire a activelor,

• Noduri LoRa și LoRaWAN,

• Senzori NB-IoT,

• sisteme industriale de monitorizare.

ER26500 + LIC1320

Pe măsură ce cerințele de energie cresc, ER26500 devine o opțiune atrăgătoare pentru sistemele industriale IoT cu durată lungă de viață.

Bateria mai mare oferă o cantitate considerabil mai mare de energie disponibilă decât celulele compacte ER, în timp ce LIC1320 susține sistemul în timpul comunicațiilor sau al altor evenimente cu sarcină de vârf.

Aplicații posibile includ:

• Dispozitive de monitorizare NB-IoT,

• unități de telemetrie la distanță,

• senzori industriali,

• echipamente de contorizare inteligentă,

• ioT agricol,

• monitorizarea mediului,

• monitorizarea infrastructurii.

Acest tip de combinație este deosebit de util pentru dispozitivele care trebuie să rămână în teren pe perioade îndelungate, fără înlocuire frecventă a bateriei.

ER34615 + LIC1620

ER34615 este o baterie Li-SOCl2 de dimensiune D, frecvent aleasă atunci când durata lungă de funcționare și energia totală ridicată sunt esențiale.

Împreună cu LIC1620, poate susține aplicații IoT solicitante, care combină un consum foarte scăzut în stare de repaus cu comunicări periodice de înaltă curent.

Aplicații posibile includ:

• contori inteligenți de lungă durată,

• sisteme de monitorizare la distanță,

• telemetrie industrială,

• GPS și urmărirea activelor,

• monitorizarea conductelor,

• echipamente IoT pentru exterior,

• senzori conectați prin rețea celulară.

ER34615 + LIC1840

Pentru aplicații cu cerințe energetice ridicate și sarcini pulsate mai exigente, combinația ER34615 + LIC1840 oferă o altă opțiune.

LIC-ul mai mare poate fi luat în considerare atunci când sistemul de comunicații fără fir sau arhitectura dispozitivului necesită un suport mai puternic pentru sarcinile pulsate.

Aplicațiile tipice pot include:

• dispozitive NB-IoT de înaltă putere,

• Terminale de comunicație LTE-M,

• monitorizare industrială la distanță,

• dispozitive de urmărire,

• infrastructură inteligentă,

• echipamente pentru utilități,

• sisteme conectate exterioare.

Combinatia exacta de baterie si condensator cu strat electric (LIC) trebuie intotdeauna aleasa in functie de profilul electric real al dispozitivului, nu doar in functie de denumirea aplicatiei.

Cum se alege combinatia potrivita ER + LIC

Nu exista o singura combinatie de baterie care sa fie ideala pentru toate aplicatiile IoT.

O solutie de alimentare fiabila incepe cu intelegerea profilului real de sarcina.

Inainte de a selecta o baterie ER si un condensator cu strat electric (LIC), inginerii ar trebui sa evalueze urmatorii parametri.

1. Curentul de repaus

Cat de mult curent consuma dispozitivul in timpul starii de somn?

Deoarece dispozitivele IoT pot petrece cea mai mare parte a duratei lor de functionare in modul de repaus, chiar si o mica modificare a curentului de somn poate avea un efect semnificativ asupra duratei totale de viata a bateriei.

2. Curentul de varf

Care este cea mai mare intensitate de curent necesară atunci când modemul, radio-ul, motorul, supapa sau altă sarcină este activată?

Aceasta este unul dintre cei mai importanți parametri la alegerea bateriei LIC.

3. Durata impulsului

Un impuls scurt, de câțiva milisecunzi, este foarte diferit de o sarcină care rămâne ridicată timp de câteva secunde.

Intensitatea de vârf a curentului și durata impulsului trebuie, așadar, luate în considerare împreună.

4. Frecvența de transmisie

Cât de des comunică dispozitivul?

O dată pe zi?

O dată pe oră?

La fiecare câteva minute?

Un dispozitiv care transmite frecvent poate impune cerințe foarte diferite sistemului de baterii comparativ cu un dispozitiv care trimite un singur pachet scurt pe zi.

5. Tensiune minimă de funcționare

Fiecare sistem electronic are o tensiune minimă sub care funcționarea fiabilă nu poate fi garantată.

Soluția de alimentare trebuie să mențină o tensiune suficientă în condițiile de sarcină maximă.

6. Temperatura de funcționare

Temperatura influențează performanța bateriei, comportamentul impulsurilor, rezistența internă și capacitatea utilizabilă.

Dispozitivele IoT pentru exterior și industriale pot experimenta condiții foarte diferite față de cele electronice pentru interior.

7. Durata de viață necesară

Un design pentru cinci ani și un design pentru cincisprezece ani nu ar trebui să utilizeze automat aceeași baterie.

Durata de viață prevăzută trebuie evaluată împreună cu curentul de repaus, frecvența transmisiei, autodescărcarea și condițiile de mediu.

8. Spațiu disponibil pentru instalare

Soluția electrică ideală trebuie să încapă totuși în interiorul dispozitivului.

De aceea, sunt utile mai multe combinații, de la ER10450 + LIC0813 până la ER34615 + LIC1840.

Crește o celulă LIC capacitatea nominală Ah a bateriei?

Aceasta este o distincție importantă.

O celulă LIC nu se adaugă, în mod obișnuit, în principal pentru a crește capacitatea nominală Ah a bateriei ER.

Scopul principal este îmbunătățirea livrării de putere pe durate scurte.

Bateria ER rămâne sursa principală de energie pe termen lung.

Celula LIC acționează ca un tampon de putere în timpul evenimentelor de sarcină pulsatorie.

Prin urmare, la calcularea duratei de funcționare așteptate, inginerii trebuie să evalueze totuși capacitatea utilizabilă a bateriei ER împreună cu întregul ciclu de funcționare al dispozitivului.

Baterie ER + LIC versus baterie de înaltă rată

Există mai multe modalități de a alimenta un dispozitiv IoT cu impulsuri înalte.

O variantă constă în utilizarea unei chimii de baterie sau a unei construcții de celulă concepute special pentru curenți continui și de impuls mai mari.

O altă variantă constă în combinarea unei celule Li-SOCl2 cu energie ridicată cu un component de susținere a impulsurilor, cum ar fi o LIC.

Alegerea corectă depinde de aplicație.

O arhitectură ER + LIC poate fi deosebit de atrăgătoare atunci când sistemul necesită:

• autodescărcare foarte scăzută,

• durată lungă de funcționare în stare de repaus,

• energie totală ridicată,

• și doar impulsuri periodice de curent înalt.

În loc să optimizeze întreaga baterie în jurul unui eveniment scurt de comunicare, sistemul separă cerința de energie de cea de putere.

Aplicații tipice pentru sistemele de alimentare cu energie ER + LIC

Acest tip de arhitectură hibridă de alimentare cu energie poate fi luată în considerare pentru multe produse conectate alimentate cu baterii, inclusiv:

Metrizare inteligentă

• Contorii inteligenti de apa

• Contoare inteligente de gaz

• Contoare inteligente de electricitate

• Contoare de căldură

Internetul lucrurilor fără fir (IoT)

• Sensoare NB-IoT

• Dispozitive LTE-M

• Noduri LoRaWAN

• Echipamente de comunicații RF

Urmarire

• GPS trackers

• Dispozitive de urmărire a activelor

• Dispozitive de monitorizare a logisticii

• Balize de localizare la distanță

Internetul Obiectelor Industriale

• Senzori industriali

• Echipamente de monitorizare la distanță

• Monitorizarea Conductelor

• Monitorizarea infrastructurii

• Sisteme de securitate și alarmă

Monitorizarea mediului și agricolă

• Sensoare meteorologice

• Echipamente de monitorizare a solului

• Dispozitive IoT agricole

• Înregistratoare de date privind mediul

De ce este important profilul complet al sarcinii

Alegerea bateriei IoT potrivite nu constă pur și simplu în selectarea capacității cât mai mari posibile.

De exemplu, două dispozitive pot folosi ambele comunicația NB-IoT, dar pot avea cerințe de putere complet diferite.

Dispozitivul A poate transmite un mesaj scurt o dată la 24 de ore.

Dispozitivul B poate transmite la fiecare 15 minute și poate efectua înregistrări frecvente în rețea.

Chiar dacă ambele produse folosesc aceeași tehnologie de comunicație, cerințele lor privind bateriile pot fi foarte diferite.

Din acest motiv, informațiile cele mai utile de furnizat la solicitarea unei soluții de alimentare includ:

• curentul normal de funcționare,

• curentul în regim de repaus,

• curentul pulsator maxim,

• durata impulsului,

• frecvența de comunicare,

• tensiunea minimă de funcționare,

• intervalul de temperatură ambientală,

• durata de funcționare țintă,

• și dimensiunile bateriei disponibile.

Cu aceste informații, se poate evalua o combinație mai potrivită de baterie ER și condensator LIC.

O platformă scalabilă de alimentare pentru dispozitive IoT

Gama care cuprinde combinațiile ER10450 + LIC0813 până la ER34615 + LIC1840 creează o platformă scalabilă pentru diferite dimensiuni ale produselor IoT și cerințe de putere.

Combinațiile mai mici pot susține senzori conectați compacți, unde spațiul de instalare este limitat.

Configurațiile de interval mediu pot servi la măsurarea inteligentă, urmărirea și detectarea wireless generală.

Combinări mai mari pot susține dispozitive industriale la distanță care necesită atât o durată de funcționare îndelungată, cât și o performanță superioară în regim de impuls.

În loc să considere bateria ca un component separat, dezvoltatorii IoT pot evalua întreaga arhitectură de alimentare în funcție de ciclul real de funcționare al dispozitivului.

Concluzie

Dispozitivele IoT moderne necesită mai mult decât o simplă baterie cu o capacitate mare.

Acestea necesită adesea un sistem de alimentare capabil să furnizeze un curent foarte scăzut, în mod eficient, timp de luni sau ani, dar care să poată susține totuși perioade scurte de curent mult mai ridicat în timpul comunicațiilor.

Combinarea unei baterii Li-SOCl₂ ER cu un condensator cu ioni de litiu oferă o soluție practică pentru a satisface ambele cerințe.

Bateria ER asigură energia pe termen lung.

Condensatorul cu ioni de litiu (LIC) oferă sprijin pentru puterea în regim de impuls.

De la combinații compacte, cum ar fi ER10450 + LIC0813 până la sisteme cu energie mai ridicată, cum ar fi ER34615 + LIC1840 , soluția potrivită depinde de curentul real de repaus al dispozitivului, de curentul de impuls, de durata impulsului, de frecvența comunicațiilor, de temperatură și de durata de viață necesară.

Pentru selecția bateriei IoT, întrebarea cea mai importantă nu este, așadar, pur și simplu:

„Care baterie are cea mai mare capacitate?”

O întrebare mai bună este:

„Care combinație de putere se potrivește cel mai bine profilului real de funcționare al dispozitivului?”

Cowon poate oferi configurații personalizate de baterii ER + LIC pentru diverse aplicații IoT, contorizare inteligentă, urmărire și industriale, în funcție de cerințele electrice și mecanice ale clientului.