Аккумулятор ER и LIC для IoT: руководство по литий-тионилхлоридным аккумуляторам с высоким импульсным током

Батарея ER и литий-ионный конденсатор для IoT: выбор оптимального решения на основе Li-SOCl₂ с высокой импульсной мощностью

По мере расширения применения устройств Интернета вещей в умных счётчиках, дистанционном мониторинге, отслеживании активов, экологическом зондировании и промышленной автоматизации проектирование систем электропитания приобретает всё большее значение.

У многих устройств Интернета вещей есть одна общая особенность: они потребляют очень мало энергии большую часть времени, но периодически требуют значительно больший ток при пробуждении беспроводного модуля и передаче данных.

Это создаёт определённую проблему.

Батарея, демонстрирующая исключительно высокие показатели при низких постоянных нагрузках, не всегда оптимизирована для кратковременных импульсов высокого тока. С другой стороны, выбор батареи исключительно по критерию способности к высоким импульсам может привести к неоправданному увеличению габаритов, стоимости или саморазряда.

Одним из практических решений является комбинация литий-тионилхлоридной батареи с литий-ионным конденсатором.

В компании Cowon типичными комбинациями являются:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Эти комбинации разработаны для баланса двух важных требований к аккумуляторным IoT-устройствам:

долгосрочного энергоснабжения и кратковременной импульсной мощности высокого уровня.

Почему IoT-устройства нуждаются одновременно в энергии и мощности

Типичное беспроводное IoT-устройство не потребляет ток с постоянной интенсивностью.

Его рабочий цикл может выглядеть следующим образом:

Сон → Пробуждение → Измерение → Передача данных → Возврат в режим сна

В режиме сна потребление тока может быть чрезвычайно низким.

Однако при активации модуля связи потребление тока может резко возрасти в течение короткого промежутка времени.

Это характерно для устройств, использующих технологии связи, например:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Лора.

• LoRaWAN

• GPS

• РЧ-связь

Следовательно, среднее потребление тока само по себе недостаточно для выбора подходящей батареи.

Инженерам также необходимо учитывать:

• пиковое значение тока,

• длительность импульса,

• частоту импульсов,

• минимальное рабочее напряжение,

• температуры,

• расчётный срок службы,

• и доступное пространство для установки.

Аккумулятор может содержать достаточно энергии для работы устройства в течение многих лет, однако устройство всё равно может выйти из строя, если напряжение опустится ниже минимального рабочего напряжения электроники во время передачи.

Именно здесь решение на основе ER-аккумулятора и LIC оказывается полезным.

Что такое ER-аккумулятор Li-SOCl2?

ER-аккумуляторы — это первичные литиевые аккумуляторы на основе химии литий-тионилхлорид, обычно обозначаемой как Li-SOCl2.

Они обычно обеспечивают номинальное напряжение 3,6 В и широко применяются в промышленном оборудовании и устройствах Интернета вещей (IoT) благодаря нескольким важным характеристикам:

• высокая плотность энергии,

• низкий саморазряд,

• длительная способность к хранению,

• стабильное напряжение при разряде малым током,

• широкий диапазон рабочих температур,

• а также пригодность для длительной работы без присмотра.

Распространённые размеры элементов ER включают:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 и ER34615.

Меньшие элементы полезны, когда ограничено место на печатной плате и габариты изделия, тогда как более крупные элементы, такие как ER26500 и ER34615, обеспечивают значительно большую энергию для применений, требующих продолжительного срока службы.

Однако ёмкость по энергии — лишь одна из составляющих проектирования системы питания.

Зачем добавлять литий-ионный конденсатор?

Литий-ионный конденсатор (LIC) используется в качестве компонента высокой мощности.

В правильно спроектированной гибридной системе питания элемент ER обеспечивает долгосрочную энергию, необходимую устройству, а LIC помогает справиться с кратковременными пиками тока.

Простой способ понять взаимосвязь следующий:

Аккумулятор ER = долгосрочная энергия

ЛИК = кратковременная импульсная мощность

Во время нормальной работы в режиме ожидания аккумулятор ER обеспечивает низкий фоновый ток.

Когда устройство просыпается и беспроводной модуль начинает передачу, ЛИК может обеспечить дополнительный импульсный ток, требуемый нагрузкой.

После завершения передачи система возвращается в состояние низкого энергопотребления.

Такая архитектура может повысить стабильность напряжения во время событий с высоким током и снизить электрическую нагрузку, непосредственно приложенную к основному аккумулятору.

Почему нельзя использовать только аккумулятор Li-SOCl2?

Аккумуляторы Li-SOCl2 особенно привлекательны для применений, требующих длительного срока службы, благодаря низкому саморазряду и высокой удельной энергии.

Однако многие ER-элементы большой ёмкости оптимизированы в первую очередь для длительного разряда при низком токе.

Другой особенностью химии Li-SOCl2 является пассивация.

Во время хранения и работы при малом токе на поверхности лития образуется защитный слой. Этот слой обеспечивает превосходные характеристики хранения и низкий саморазряд аккумулятора.

Однако при определённых условиях эксплуатации, особенно после длительного хранения, резкое увеличение нагрузки может вызвать кратковременное падение напряжения.

Для простой маломощной схемы это может не иметь значения.

Для модуля связи Интернета вещей (IoT), однако, кратковременное падение напряжения может быть критичным.

Если напряжение в системе опустится ниже минимального рабочего напряжения модема, микроконтроллера (MCU) или радиочастотной (RF) схемы, устройство может перезагрузиться, не зарегистрироваться в сети или потерять передачу данных.

Добавление правильно подобранного LIC позволяет обеспечить кратковременный ток, необходимый в таких ситуациях.

Шесть конфигураций ER + LIC для различных требований IoT

Различные продукты IoT требуют разных сочетаний ёмкости накопления энергии, способности к импульсной нагрузке и физических размеров.

Cowon предлагает несколько конфигураций ER + LIC для удовлетворения различных требований применения.

ER10450 + LIC0813

Это компактное сочетание подходит для миниатюрных IoT-продуктов, где важны размеры печатной платы и аккумулятора.

Типичные области применения могут включать:

• компактные беспроводные датчики,

• небольшие устройства мониторинга,

• передатчики с низким циклом нагрузки,

• небольшие устройства отслеживания,

• компактная вспомогательная электроника.

Оно особенно подходит, когда система требует небольшого первичного аккумулятора, но при этом выигрывает от дополнительной импульсной поддержки.

ER14250 + LIC0820

ER14250 — распространённый компактный размер Li-SOCl2, используемый в промышленной электронике и продуктах интеллектуального зондирования.

В паре с LIC0820 он обеспечивает полезный баланс между компактными габаритами, длительным временем ожидания и периодической беспроводной связью.

Возможные области применения включают:

• умные датчики,

• компактные коммунальные счётчики,

• устройства безопасности,

• узлы удалённого мониторинга,

• низкопотребляющие радиочастотные устройства.

ER14505 + LIC1020

Элемент ER14505 обеспечивает более высокую ёмкость при сохранении привычного форм-фактора типа AA.

В сочетании с LIC1020 такая конфигурация может рассматриваться для IoT-устройств, которым требуется более длительный срок работы или повышенные требования к объёму передаваемых данных по сравнению с системами на основе меньших аккумуляторов.

Типичные области применения могут включать:

• умные водяные счётчики,

• газовые счётчики,

• устройства отслеживания активов,

• Узлы LoRa и LoRaWAN,

• Датчики NB-IoT,

• промышленные системы мониторинга.

ER26500 + LIC1320

По мере роста энергетических требований элемент ER26500 становится привлекательным решением для промышленных IoT-систем с длительным сроком службы.

Более крупный аккумулятор обеспечивает значительно большее количество доступной энергии по сравнению с компактными элементами ER, а LIC1320 поддерживает систему во время передачи данных или других событий пиковой нагрузки.

Возможные области применения включают:

• Устройства мониторинга NB-IoT,

• удалённые телеметрические устройства,

• промышленные датчики,

• оборудование для интеллектуального учёта,

• сельскохозяйственные IoT-решения,

• мониторинг окружающей среды,

• мониторинг инфраструктуры.

Такое сочетание особенно полезно для устройств, которые должны оставаться на месте в течение длительного времени без частой замены батареи.

ER34615 + LIC1620

ER34615 — это литий-тионилхлоридный элемент размера D, который обычно выбирают, когда важны длительный срок службы и высокая общая энергоёмкость.

В паре с LIC1620 он может поддерживать требовательные IoT-приложения, сочетающие очень низкое энергопотребление в режиме ожидания с периодической передачей данных при высоком токе.

Возможные области применения включают:

• самодиагностирующиеся счётчики с длительным сроком службы,

• системы удалённого мониторинга,

• промышленная телеметрия,

• GPS и отслеживание активов,

• мониторинг трубопроводов,

• оборудование Интернета вещей для наружного применения,

• датчики с сотовой связью.

ER34615 + LIC1840

Для приложений с высокими требованиями к энергопотреблению и более требовательными импульсными нагрузками альтернативным решением может служить сочетание элементов ER34615 и LIC1840.

Более крупный конденсатор LIC следует рассматривать в тех случаях, когда система беспроводной связи или архитектура устройства требует более надёжной поддержки импульсных нагрузок.

Типичные области применения могут включать:

• устройства NB-IoT высокой мощности,

• Терминалы связи LTE-M,

• дистанционный промышленный мониторинг,

• устройства отслеживания,

• умственная инфраструктура,

• энергетическое оборудование,

• внешние подключённые системы.

Точную комбинацию аккумулятора и LIC всегда следует выбирать в соответствии с реальным электрическим профилем устройства, а не только по названию применения.

Как выбрать подходящую комбинацию ER + LIC

Не существует единой комбинации аккумуляторов, идеально подходящей для всех приложений IoT.

Надёжное энергоснабжение начинается с понимания фактического профиля нагрузки.

Прежде чем выбирать аккумулятор ER и LIC, инженеры должны оценить следующие параметры.

1. Ток в режиме ожидания

Сколько тока потребляет устройство в спящем режиме?

Поскольку устройства IoT могут проводить большую часть срока службы в режиме ожидания, даже незначительное изменение тока в спящем режиме может существенно повлиять на общий срок службы аккумулятора.

2. Пиковый ток

Какой максимальный ток требуется при включении модема, радио, двигателя, клапана или другой нагрузки?

Это один из самых важных параметров при выборе LIC.

3. Длительность импульса

Кратковременный импульс продолжительностью несколько миллисекунд сильно отличается от нагрузки, остающейся высокой в течение нескольких секунд.

Поэтому пиковый ток и длительность импульса необходимо рассматривать совместно.

4. Частота передачи

Как часто устройство обменивается данными?

Один раз в сутки?

Один раз в час?

Каждые несколько минут?

Устройство, передающее данные часто, может предъявлять совершенно иные требования к аккумуляторной системе по сравнению с устройством, отправляющим один короткий пакет в день.

5. Минимальное рабочее напряжение

Любая электронная система имеет минимальное напряжение, ниже которого надёжная работа не гарантируется.

Решение в области питания должно поддерживать достаточный уровень напряжения при максимальной нагрузке.

6. Рабочая температура

Температура влияет на производительность аккумулятора, импульсное поведение, внутреннее сопротивление и полезную ёмкость.

IoT-устройства для наружного и промышленного применения могут работать в условиях, существенно отличающихся от условий для внутренней электроники.

7. Требуемый срок службы

Проект с расчётным сроком службы пять лет и проект с расчётным сроком службы пятнадцать лет не должны автоматически использовать один и тот же аккумулятор.

Ожидаемый срок службы должен оцениваться совместно со током режима ожидания, частотой передачи, саморазрядом и условиями окружающей среды.

8. Доступное пространство для установки

Идеальное электрическое решение должно по-прежнему помещаться внутри устройства.

Поэтому полезны различные комбинации — от ER10450 + LIC0813 до ER34615 + LIC1840.

Повышает ли LIC номинальную ёмкость аккумулятора в А·ч?

Это важное различие.

LIC обычно не добавляют в первую очередь для увеличения номинальной ёмкости аккумулятора ER в ампер-часах.

Основная цель — улучшение подачи мощности в течение коротких промежутков времени.

Аккумулятор ER остаётся основным источником энергии на длительный срок.

LIC выступает в роли буфера мощности во время импульсных нагрузок.

Следовательно, при расчёте ожидаемого срока службы инженеры по-прежнему должны оценивать используемую ёмкость аккумулятора ER совместно со всем циклом эксплуатации устройства.

Аккумулятор ER + LIC против аккумулятора с высокой отдачей тока

Существует несколько способов питания IoT-устройства с высокими импульсными нагрузками.

Один из вариантов — использовать химию аккумулятора или конструкцию элемента, специально разработанные для обеспечения более высоких непрерывных и импульсных токов.

Другой вариант — объединить высокоэнергетический элемент Li-SOCl₂ с компонентом поддержки импульсов, например LIC.

Правильный выбор зависит от конкретного применения.

Архитектура ER + LIC может быть особенно привлекательной, когда системе требуются:

• очень низкий ток саморазряда,

• длительный срок ожидания,

• высокая общая энергоёмкость,

• и лишь периодические импульсы высокого тока.

Вместо того чтобы оптимизировать весь аккумулятор под кратковременное событие связи, система разделяет требования к энергии и требования к мощности.

Типичные области применения систем питания ER + LIC

Этот тип гибридной архитектуры питания может рассматриваться для многих подключённых устройств с питанием от аккумуляторов, включая:

Системы умного учета

• Умные водяные счетчики

• Умные газовые счётчики

• Умные электросчетчики

• Теплосчётчики

Беспроводные IoT-устройства

• Датчики NB-IoT

• Устройства LTE-M

• Узлы LoRaWAN

• Радиочастотное коммуникационное оборудование

Отслеживание

• GPS-трекеры

• Устройства отслеживания активов

• Устройства мониторинга логистики

• Маяки удалённого местоположения

Промышленный Интернет вещей

• Промышленные датчики

• Оборудование удалённого мониторинга

• Мониторинг трубопроводов

• Мониторинг инфраструктуры

• Системы безопасности и сигнализации

Мониторинг окружающей среды и сельского хозяйства

• Датчики погоды

• Оборудование для мониторинга почвы

• IoT-устройства для сельского хозяйства

• Регистраторы экологических данных

Почему важно учитывать полный профиль нагрузки

Выбор правильного IoT-аккумулятора — это не просто вопрос выбора максимально возможной ёмкости.

Например, два устройства могут использовать одну и ту же технологию связи NB-IoT, но иметь совершенно разные требования к энергопотреблению.

Устройство A может передавать одно короткое сообщение каждые 24 часа.

Устройство B может передавать данные каждые 15 минут и часто выполнять регистрацию в сети.

Даже если оба устройства используют одну и ту же технологию связи, их требования к аккумулятору могут сильно различаться.

По этой причине наиболее полезной информацией при запросе решения для питания являются:

• ток нормальной работы,

• ток в режиме сна,

• максимальный импульсный ток,

• длительность импульса,

• частота связи,

• минимальное рабочее напряжение,

• диапазон температур окружающей среды,

• расчётный срок службы,

• и доступные габариты аккумулятора.

С помощью этой информации можно оценить более подходящее сочетание элемента питания ER и конденсатора LIC.

Масштабируемая силовая платформа для устройств Интернета вещей

Диапазон от ER10450 + LIC0813 до ER34615 + LIC1840 образует масштабируемую платформу для различных размеров и требований к питанию устройств Интернета вещей.

Более компактные комбинации подходят для небольших подключённых датчиков, где ограничено пространство для установки.

Комбинации среднего размера могут использоваться в системах умного учёта, трекинга и общих беспроводных датчиков.

Более крупные комбинации подходят для удалённых промышленных устройств, которым необходим как длительный срок эксплуатации, так и повышенная импульсная мощность.

Вместо того чтобы рассматривать аккумулятор как отдельный компонент, разработчики IoT могут оценивать полную архитектуру питания с учётом реального рабочего цикла устройства.

Заключение

Современные устройства IoT требуют большего, чем просто аккумулятор большой ёмкости.

Часто они нуждаются в системе питания, способной эффективно обеспечивать очень низкий ток в течение месяцев или лет, при этом поддерживая кратковременные периоды значительно более высокого тока во время передачи данных.

Объединение литий-тионилхлоридного (Li-SOCl₂) ER-аккумулятора с литий-ионным конденсатором (LIC) представляет собой один из практических способов удовлетворения обоих требований.

ER-аккумулятор обеспечивает долгосрочное энергоснабжение.

LIC обеспечивает поддержку импульсной мощности.

От компактных комбинаций, таких как ER10450 + LIC0813 до систем с более высокой энергоёмкостью, таких как ER34615 + LIC1840 , правильное решение зависит от реального тока дежурного режима устройства, импульсного тока, длительности импульса, частоты связи, температуры и требуемого срока службы.

Поэтому при выборе аккумулятора для устройств IoT наиболее важный вопрос — это не просто:

«Какой аккумулятор обладает наибольшей ёмкостью?»

Более корректный вопрос звучит так:

«Какая комбинация мощности наилучшим образом соответствует реальному профилю эксплуатации устройства?»

Cowon может предложить индивидуальные конфигурации аккумуляторов ER и LIC для различных приложений в сфере IoT, умных счётчиков, систем отслеживания и промышленного оборудования с учётом электрических и механических требований заказчика.