Batéria ER + LIC pre IoT: sprievodca vysokovýkonnými impulznými batériami Li-SOCl2

Batéria ER + LIC pre IoT: Výber správneho riešenia vysokovýkonových impulzov na báze Li-SOCl₂

Keďže sa v oblasti inteligentného merania, diaľkového monitorovania, sledovania aktív, environmentálneho snímania a priemyselnej automatizácie nasadzuje čoraz viac zariadení IoT, návrh napájania nadobúda stále väčší význam.

Mnohé zariadenia IoT majú jednu spoločnú vlastnosť: väčšinu času spotrebujú veľmi málo energie, avšak občas vyžadujú výrazne vyšší prúd, keď sa bezdrôtový modul prebudí a odosle dáta.

To predstavuje výzvu.

Batéria, ktorá sa výborne osvedčí pri nízkych trvalých zaťaženiach, nemusí byť vždy optimalizovaná pre krátke impulzy s vysokým prúdom. Na druhej strane výber batérie len na základe schopnosti poskytovať vysoké impulzy môže nezmyselne zväčšiť jej veľkosť, zvýšiť náklady alebo zvýšiť samovybíjanie.

Jedným praktickým riešením je kombinácia batérie na báze lítia a thionylchloridu s litiovým iónovým kondenzátorom.

V spoločnosti Cowon sa typickými kombináciami zvyknú byť:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Tieto kombinácie sú navrhnuté tak, aby vyvážili dve dôležité požiadavky na batériou napájané IoT zariadenia:

dlhodobé zásobovanie energiou a krátkodobý výkon vysokých impulzov.

Prečo IoT zariadenia potrebujú aj energiu, aj výkon

Typické bezdrôtové IoT zariadenie nepotrebuje prúd stále rovnakou intenzitou.

Jeho prevádzkový cyklus môže vyzerať nasledovne:

Spánok → Prebudenie → Meranie → Odoslanie údajov → Návrat do režimu spánku

Počas režimu spánku môže byť spotreba prúdu extrémne nízka.

Avšak pri aktivovanom komunikačnom module sa po krátku dobu môže spotreba prúdu výrazne zvýšiť.

Toto je bežné u zariadení využívajúcich komunikačné technológie, ako napríklad:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• RF komunikácia

To znamená, že na výber správnej batérie nestačí iba priemerná spotreba prúdu.

Inžinieri musia tiež zohľadniť:

• maximálny prúd,

• trvanie impulzu,

• frekvenciu impulzov,

• minimálne prevádzkové napätie,

• teplota,

• očakávanú životnosť,

• a dostupný inštalačný priestor.

Batéria môže obsahovať dostatok celkovej energie na prevádzku zariadenia po mnoho rokov, ale zariadenie sa stále môže pokaziť, ak napätie klesne počas prenosu pod minimálne prevádzkové napätie elektroniky.

Práve v tomto prípade sa riešenie s ER batériou a LIC ukazuje ako užitočné.

Čo je ER Li-SOCl2 batéria?

ER batérie sú primárne litiové batérie založené na chemickom zlúčenine litium-tionylchlorid, bežne označovanej ako Li-SOCl2.

Zvyčajne poskytujú menovité napätie 3,6 V a sú široko používané v priemyselných a IoT zariadeniach kvôli niekoľkým dôležitým vlastnostiam:

• vysoká energetická hustota,

• nízka samovybíjanie,

• dlhodobá schopnosť skladovania,

• stabilné napätie pri nízkorýchlostnom vybíjaní,

• široký rozsah prevádzkových teplôt,

• a vhodnosť pre dlhodobý prevádzkový režim bez dozoru.

Bežné veľkosti batérií typu ER zahŕňajú:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 a ER34615.

Menšie články sú užitočné v prípadoch, keď je obmedzené miesto na DPS a rozmery výrobku, zatiaľ čo väčšie články, ako napríklad ER26500 a ER34615, poskytujú výrazne viac energie pre aplikácie vyžadujúce dlhšiu životnosť.

Energetická kapacita však predstavuje len jednu zložku návrhu napájacieho systému.

Prečo pridať lítium-ionový kondenzátor?

Lítium-ionový kondenzátor (LIC) sa používa ako komponent s vysokým výkonom.

V správne navrhnutom hybridnom napájacích systéme batéria typu ER poskytuje dlhodobo potrebnú energiu zariadeniu, zatiaľ čo LIC pomáha zabezpečiť krátke obdobia vysokého prúdového zaťaženia.

Jednoduchý spôsob pochopenia tohto vzťahu je:

ER batéria = dlhodobá energie

LIC = krátkodobý impulzný výkon

Počas normálneho režimu pohotovosti ER batéria zaisťuje nízky základný prúd.

Keď sa zariadenie prebudí a bezdrôtový modul začne prenášať, LIC môže poskytnúť dodatočný impulzný prúd vyžadovaný zaťažením.

Po ukončení prenosu sa systém vráti do stavu nízkej spotreby energie.

Táto architektúra môže zlepšiť stabilitu napätia počas udalostí s vysokým prúdom a znížiť elektrické zaťaženie primárnej batérie.

Prečo nepoužiť len batériu Li-SOCl2?

Batérie Li-SOCl2 sú obzvlášť vhodné pre aplikácie vyžadujúce dlhú životnosť v dôsledku ich nízkej samovybíjacej sa schopnosti a vysokého energetického obsahu.

Mnohé vysokokapacitné ER články sú však optimalizované predovšetkým na dlhodobý výboj pri nízkom prúde.

Inou charakteristikou chemického systému Li-SOCl2 je pasivácia.

Počas skladovania a prevádzky pri nízkom prúde sa na povrchu lítia tvorí ochranná vrstva. Táto vrstva prispieva k vynikajúcim vlastnostiam batérie pri skladovaní a k nízkemu samovybíjaniu.

Avšak za určitých prevádzkových podmienok, najmä po predĺženom skladovaní, môže náhly nárast zaťaženia spôsobiť dočasný pokles napätia.

Pre jednoduchý obvod s nízkym výkonom to nemusí byť dôležité.

Pre komunikačný modul IoT však môže dočasný pokles napätia byť kritický.

Ak klesne napätie systému pod minimálne prevádzkové napätie modemu, MCU alebo RF obvodu, zariadenie sa môže reštartovať, nemusí sa zaregistrovať v sieti alebo môže stratiť prenos dát.

Pridanie vhodne vybranej LIC (lítium-iónovej kondenzátora) môže pomôcť poskytnúť krátkodobý prúd potrebný počas týchto udalostí.

Šesť konfigurácií ER + LIC pre rôzne požiadavky IoT

Rôzne produkty IoT vyžadujú rôzne kombinácie kapacity energie, schopnosti impulzového zaťaženia a fyzických rozmerov.

Cowon ponúka viacero konfigurácií ER + LIC na pokrytie rôznych požiadaviek aplikácií.

ER10450 + LIC0813

Táto kompaktná kombinácia je vhodná pre miniaturizované IoT výrobky, kde sú dôležité obmedzené rozmery dosky plošných spojov (PCB) a batérie.

Typické aplikácie môžu zahŕňať:

• kompaktné bezdrôtové senzory,

• malé monitorovacie zariadenia,

• vysielače s nízkou frekvenciou používania,

• malé sledovacie zariadenia,

• kompaktná pomocná elektronika.

Je obzvlášť vhodná v prípadoch, keď systém vyžaduje malú primárnu batériu, pričom stále profituje z dodatočnej podpory impulzov.

ER14250 + LIC0820

ER14250 je bežná kompaktná veľkosť Li-SOCl₂ používaná v priemyselnej elektronike a chytrých senzorových výrobkoch.

V spojení s LIC0820 poskytuje užitočnú rovnováhu medzi kompaktnými rozmermi, dlhým časom činnosti v režime pohotovosti a periodickou bezdrôtovou komunikáciou.

Medzi možné aplikácie patria:

• chytré senzory,

• kompaktné meracie prístroje,

• zariadenia na zabezpečenie,

• uzly diaľkového monitorovania,

• rádiové zariadenia s nízkou spotrebou energie.

ER14505 + LIC1020

Článok ER14505 ponúka vyššiu energetickú kapacitu pri zachovaní známeho formátu veľkosti AA.

V kombinácii s LIC1020 sa túto konfiguráciu môže zvážiť pre IoT výrobky, ktoré vyžadujú dlhšie obdobie prevádzky alebo vyšší požiadavok na komunikáciu v porovnaní s menšími batériovými systémami.

Typické aplikácie môžu zahŕňať:

• chytré vodomery,

• plytomery,

• zariadenia na sledovanie aktív,

• Uzly LoRa a LoRaWAN,

• Senzory NB-IoT,

• priemyselné monitorovacie systémy.

ER26500 + LIC1320

So zvyšujúcimi sa požiadavkami na energiu sa článok ER26500 stáva atraktívnou voľbou pre priemyselné IoT systémy s dlhou životnosťou.

Väčší akumulátor poskytuje výrazne viac dostupnej energie v porovnaní s kompaktnými článkami ER, zatiaľ čo LIC1320 podporuje systém počas komunikácie alebo iných udalostí s maximálnym zaťažením.

Medzi možné aplikácie patria:

• Monitorovacie zariadenia NB-IoT,

• vzdialené jednotky pre telemetriu,

• priemyselné senzory,

• zariadenia pre inteligentné meranie spotreby,

• poľnohospodársky IoT,

• monitorovanie životného prostredia,

• monitorovanie infraštruktúry.

Tento typ kombinácie je obzvlášť užitočný pre zariadenia, ktoré sa očakáva, že budú v teréne po dlhšie obdobia bez častej výmeny batérií.

ER34615 + LIC1620

ER34615 je batéria veľkosti D s technológiou Li-SOCl₂, ktorá sa bežne vyberá v prípadoch, keď je dôležitá dlhá životnosť a vysoká celková energie.

V spojení s LIC1620 môže podporovať náročné IoT aplikácie, ktoré kombinujú veľmi nízku spotrebu v režime pohotovosti s občasnou komunikáciou pri vysokom prúde.

Medzi možné aplikácie patria:

• chytré meracie prístroje s dlhou životnosťou,

• vzdialené monitorovacie systémy,

• priemyselná telemetria,

• GPS a sledovanie aktív,

• monitorovanie potrubí,

• vonkajšie IoT zariadenia,

• senzory s mobilným pripojením.

ER34615 + LIC1840

Pre aplikácie s vysokými požiadavkami na energiu a náročnejšími impulznými zaťaženiami poskytuje kombinácia ER34615 + LIC1840 ďalšiu možnosť.

Väčší LIC sa môže uvažovať v prípadoch, keď systém bezdrôtovej komunikácie alebo architektúra zariadenia vyžaduje silnejšiu podporu impulzného zaťaženia.

Typické aplikácie môžu zahŕňať:

• zariadenia NB-IoT s vysokým výkonom,

• Komunikačné terminály LTE-M,

• diaľkové priemyselné monitorovanie,

• zariadenia na sledovanie polohy,

• chytrá infraštruktúra,

• zariadenia pre energetické služby,

• vonkajšie prepojené systémy.

Presná kombinácia batérie a LIC sa vždy musí vyberať podľa skutočného elektrického profilu zariadenia, nie len podľa názvu aplikácie.

Ako vybrať správnu kombináciu ER + LIC

Neexistuje jediná kombinácia batérií, ktorá by bola ideálna pre každú IoT aplikáciu.

Spoľahlivé napájacie riešenie začína pochopením skutočného zaťažovacieho profilu.

Pred výberom batérie ER a LIC by mali inžinieri vyhodnotiť nasledujúce parametre.

1. Pohotovostný prúd

Koľko prúdu spotrebuje zariadenie v režime spánku?

Keďže IoT zariadenia môžu stráviť väčšinu svojej životnosti v pohotovostnom režime, aj malá zmena prúdu v režime spánku môže významne ovplyvniť celkovú životnosť batérie.

2. Vrcholový prúd

Aký je najvyšší požadovaný prúd pri aktivácii modemu, rádia, motora, ventilu alebo inej záťaže?

Toto je jeden z najdôležitejších parametrov pri výbere LIC.

3. Dĺžka impulzu

Krátky impulz trvajúci niekoľko milisekúnd sa veľmi líši od záťaže, ktorá zostáva vysoká niekoľko sekúnd.

Maximálny prúd a dĺžka impulzu sa preto musia brať do úvahy spoločne.

4. Frekvencia prenosu

Ako často zariadenie komunikuje?

Raz za deň?

Raz za hodinu?

Každých niekoľko minút?

Zariadenie, ktoré prenáša údaje často, môže kladúť na batériový systém úplne iné požiadavky v porovnaní so zariadením, ktoré posiela raz denne jeden krátky paket.

5. Minimálne prevádzkové napätie

Každý elektronický systém má minimálne napätie, pod ktorým sa spoľahlivý chod nemôže zaručiť.

Riešenie napájania musí udržiavať dostatočné napätie počas najvyššej zaťažovacej podmienky.

6. Prevádzková teplota

Teplota ovplyvňuje výkon batérie, impulzné správanie, vnútorný odpor a využiteľnú kapacitu.

IoT zariadenia pre vonkajšie a priemyselné použitie môžu zažívať úplne iné podmienky než elektronika určená pre vnútorné priestory.

7. Požadovaná životnosť

Návrh s životnosťou päť rokov a návrh s životnosťou pätnásť rokov by nemali automaticky používať tú istú batériu.

Očakávanú životnosť je potrebné vyhodnotiť spoločne so stojacim prúdom, frekvenciou prenosu, samovybíjaním a environmentálnymi podmienkami.

8. Dostupný inštalačný priestor

Ideálne elektrické riešenie musí stále zmestiť do zariadenia.

Preto sú užitočné rôzne kombinácie, od ER10450 + LIC0813 po ER34615 + LIC1840.

Zvyšuje LIC menovitú kapacitu batérie v Ah?

Toto je dôležitý rozdiel.

LIC sa zvyčajne nepripája primárne na zvýšenie menovitej kapacity batérie ER v Ah.

Hlavným účelom je zlepšiť dodávku výkonu počas krátkych časových úsekov.

Batéria ER zostáva primárnym dlhodobým zdrojom energie.

LIC pôsobí ako vyrovnávací zásobník výkonu počas impulzného zaťaženia.

Preto pri výpočte očakávanej životnosti by mali inžinieri stále vyhodnotiť využiteľnú kapacitu batérie ER spolu s celým režimom prevádzky zariadenia.

Batéria ER + LIC vs batéria s vysokým výstupným prúdom

Existuje niekoľko spôsobov, ako napájať vysokopulzné IoT zariadenie.

Jednou možnosťou je použiť batériu s chemickým zložením alebo konštrukciou článku špeciálne navrhnutú pre vyšší trvalý a pulzný prúd.

Inou možnosťou je kombinovať vysokovýkonný Li-SOCl₂ článok s komponentom na podporu pulzov, napríklad s LIC.

Správna voľba závisí od konkrétnej aplikácie.

Architektúra ER + LIC môže byť obzvlášť výhodná, keď systém vyžaduje:

• veľmi nízky samovybíjanie,

• dlhú dobu čakania,

• vysokú celkovú energiu,

• a len občasné vysokoprúdové pulzy.

Namiesto optimalizácie celej batérie okolo krátkeho komunikačného udalosti systém oddelí požiadavku na energiu od požiadavky na výkon.

Typické aplikácie pre výkonové systémy ER + LIC

Tento typ hybridnej výkonovej architektúry možno zvážiť pre mnoho batériou napájaných pripojených produktov, vrátane:

Inteligentné meranie spotreby

• Chytré vodné merače

• Inteligentné plynomery

• Inteligentné elektromery

• Teplomery

Bezdrôtové IoT

• Senzory NB-IoT

• Zariadenia LTE-M

• Uzly LoRaWAN

• RF komunikačné zariadenia

Sledovanie

• GPS sledovače

• Zariadenia na sledovanie aktív

• Zariadenia na monitorovanie logistiky

• Diaľkové lokalizačné majáky

Priemyselný IoT

• Průmyslové senzory

• Zariadenia na diaľkové monitorovanie

• Monitorovanie potrubí

• Monitorovanie infraštruktúry

• Bezpečnostné a poplachové systémy

Monitorovanie prostredia a poľnohospodárstva

• Počasie senzory

• Zariadenia na monitorovanie pôdy

• Zariadenia IoT pre poľnohospodárstvo

• Zaznamenávače environmentálnych údajov

Prečo je dôležitý úplný profil zaťaženia

Výber správnej batérie pre IoT nie je len otázkou výberu najväčšej možnej kapacity.

Napríklad dve zariadenia môžu používať komunikáciu cez NB-IoT, avšak mať úplne odlišné požiadavky na výkon.

Zariadenie A môže posielať jednu krátku správu každých 24 hodín.

Zariadenie B môže posielať správy každých 15 minút a často sa prihlasovať do siete.

Aj keď obe zariadenia používajú rovnakú komunikačnú technológiu, ich požiadavky na batériu môžu byť veľmi odlišné.

Z tohto dôvodu najužitočnejšími informáciami pri žiadosti o riešenie napájania sú:

• normálny prevádzkový prúd,

• prúd v režime spánku,

• maximálny impulzný prúd,

• trvanie impulzu,

• frekvencia komunikácie,

• minimálne prevádzkové napätie,

• rozmedzie teploty prostredia,

• požadovaná životnosť,

• a dostupné rozmery batérií.

S týmito informáciami je možné vyhodnotiť vhodnejšiu kombináciu batérie ER a kondenzátora LIC.

Škálovateľná výkonová platforma pre zariadenia IoT

Rozsah od ER10450 + LIC0813 po ER34615 + LIC1840 vytvára škálovateľnú platformu pre rôzne veľkosti a výkonové požiadavky produktov IoT.

Menšie kombinácie môžu podporovať kompaktné pripojené senzory, kde je obmedzené inštalačné miesto.

Konfigurácie strednej triedy môžu slúžiť pre inteligentné meranie, sledovanie a všeobecné bezdrôtové snímanie.

Väčšie kombinácie môžu podporovať vzdialené priemyselné zariadenia, ktoré vyžadujú nielen dlhú životnosť, ale aj silný výkon pri impulzoch.

Namiesto považovania batérie za samostatnú súčiastku môžu vývojári IoT vyhodnotiť celú architektúru napájania podľa skutočného cyklu prevádzky zariadenia.

Záver

Moderné zariadenia IoT vyžadujú viac než len batériu s veľkou kapacitou.

Často vyžadujú napájací systém schopný efektívne dodávať veľmi nízky prúd po mesiace alebo roky a zároveň podporovať krátke obdobia výrazne vyššieho prúdu počas komunikácie.

Kombinácia batérie Li-SOCl₂ ER s litiovým iónovým kondenzátorom (LIC) predstavuje jednu praktickú možnosť, ako splniť obe tieto požiadavky.

Batéria ER poskytuje dlhodobú energiu.

LIC poskytuje podporu pri impulzných zaťaženiach.

Od kompaktných kombinácií, ako je ER10450 + LIC0813 až po systémy s vyššou energetickou kapacitou, ako je ER34615 + LIC1840 , správne riešenie závisí od skutočného prúdu v pohotovostnom režime zariadenia, impulzného prúdu, dĺžky impulzu, frekvencie komunikácie, teploty a požadovanej životnosti.

Pri výbere batérií pre IoT je preto najdôležitejšou otázkou nie jednoducho:

„Ktorá batéria má najväčšiu kapacitu?“

Lepšou otázkou je:

„Ktorá kombinácia výkonu najlepšie zodpovedá skutočnému prevádzkovému profilu zariadenia?“

Cowon môže poskytnúť prispôsobené konfigurácie batérií ER a LIC pre rôzne aplikácie v oblasti IoT, inteligentného merania, sledovania a priemyslu na základe elektrických a mechanických požiadaviek zákazníka.