ER-batteri + LIC för IoT: Li-SOCl2-batteri med hög pulseffekt – handbok

ER-batteri + LIC för IoT: Välj rätt Li-SOCl2-lösning med hög pulseffekt

När fler IoT-enheter distribueras inom smart mätning, fjärrövervakning, tillgångsspårning, miljöövervakning och industriell automatisering har kraftdesign blivit allt viktigare.

Många IoT-enheter har en egenskap gemensamt: de förbrukar mycket liten effekt under de flesta tider, men kräver periodiskt mycket högre ström när den trådlösa modulen vaknar och sänder data.

Detta skapar en utmaning.

Ett batteri som presterar extremt bra vid låga kontinuerliga laster är inte alltid optimerat för korta, högströmspulser. Å andra sidan kan att välja ett batteri endast för hög pulseffektkapacitet onödigt öka storlek, kostnad eller självurladdning.

En praktisk lösning är att kombinera ett litiumtionskloridbatteri med en litiumjonkondensator.

Vid Cowon inkluderar typiska kombinationer:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Dessa kombinationer är utformade för att balansera två viktiga krav i batteridrivna IoT-utrustningar:

långsiktig energiförsörjning och kortvarig hög pulseffekt.

Varför IoT-enheter behöver både energi och effekt

En typisk trådlös IoT-enhet förbrukar inte ström med en konstant hastighet.

Dess driftcykel kan se ut så här:

Sömn → Vakna → Mäta → Skicka data → Återgå till sömn

Under sömnläge kan strömförbrukningen vara extremt låg.

När kommunikationsmodulen aktiveras kan strömförbrukningen dock öka kraftigt under en kort period.

Detta är vanligt i enheter som använder kommunikationsteknologier såsom:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• RF-kommunikation

Det innebär att genomsnittlig strömförbrukning ensam inte räcker för att välja rätt batteri.

Ingenjörer måste även ta hänsyn till:

• toppström,

• pulslängd,

• pulsfrekvens,

• minsta driftspänning,

• temperatur,

• förväntad livslängd,

• och tillgängligt installationsutrymme.

Ett batteri kan innehålla tillräckligt med total energi för att driva en enhet i många år, men enheten kan ändå gå sönder om spänningen sjunker under den elektronikens minsta driftspänning under överföring.

Det är då en ER-batteri + LIC-lösning blir användbar.

Vad är ett ER Li-SOCl2-batteri?

ER-batterier är primära litiumbatterier baserade på litiumtionsklorid-kemi, vanligtvis skrivna som Li-SOCl2.

De ger typiskt en nominell spänning på 3,6 V och används ofta i industriell utrustning och IoT-utrustning på grund av flera viktiga egenskaper:

• hög energitäthet,

• låg självurladdning,

• lång lagringskapacitet,

• stabila spänning vid låglasturladdning,

• bred verkningsgrad vid olika temperaturer,

• och lämplighet för långvarig drift utan övervakning.

Vanliga storlekar för ER-batterier inkluderar:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 och ER34615.

Mindre celler är användbara när utrymmet på kretskortet och produktens dimensioner är begränsade, medan större celler som ER26500 och ER34615 ger avsevärt mer energi för applikationer som kräver längre servicelevnad.

Energi kapacitet är dock bara en del av kraftsystemets konstruktion.

Varför lägga till en litiumjonkondensator?

En litiumjonkondensator (LIC) används som en högpresterande stödkomponent.

I ett korrekt konstruerat hybridkraftsystem tillhandahåller ER-batteriet den långsiktiga energin som enheten kräver, medan LIC:n stödjer korta perioder med hög strömbelastning.

Ett enkelt sätt att förstå förhållandet är:

ER-batteri = långsiktig energi

LIC = korttidspulsström

Under normal drift i vänteläge stödjer ER-batteriet den låga bakgrundsströmmen.

När enheten vaknar och trådlösa modulen börjar sända kan LIC hjälpa till att leverera den extra pulsström som belastningen kräver.

Efter sändningshändelsen återgår systemet till sitt strömsnålade tillfälle.

Denna arkitektur kan bidra till förbättrad spänningsstabilitet under högströmsförlopp och minska den elektriska påfrestning som utövas direkt på primärbatteriet.

Varför inte använda ett Li-SOCl2-batteri ensamt?

Li-SOCl2-batterier är särskilt attraktiva för applikationer som kräver lång drifttid tack vare deras låga självurladdning och höga energitäthet.

Många ER-celler med hög kapacitet är dock främst optimerade för långsiktig urladdning med låg ström.

En annan egenskap hos Li-SOCl2-kemi är passivering.

Under lagring och vid lågströmsdrift bildas ett skyddande lager på litiumytan. Detta lager bidrar till batteriets utmärkta lagringsegenskaper och låga självurladdning.

Vid vissa driftförhållanden, särskilt efter längre lagring, kan dock en plötslig ökning av lasten orsaka en tillfällig spänningsdrop.

För en enkel lågeffektkrets kan detta inte vara avgörande.

För en IoT-kommunikationsmodul kan däremot en tillfällig spänningsdrop vara kritisk.

Om systemspänningen sjunker under den minsta driftspänningen för modem, MCU eller RF-krets kan enheten återställas, misslyckas med att registrera sig i nätverket eller förlora en datautväxling.

Att lägga till en korrekt vald LIC kan hjälpa till att leverera den kortvariga strömmen som krävs under dessa händelser.

Sex ER + LIC-konfigurationer för olika IoT-krav

Olika IoT-produkter kräver olika kombinationer av energikapacitet, pulsförmåga och fysisk storlek.

Cowon erbjuder flera ER + LIC-konfigurationer för att täcka olika applikationskrav.

ER10450 + LIC0813

Denna kompakta kombination är lämplig för miniatyra IoT-produkter där kretskortsyta och batteristorlek är viktiga överväganden.

Typiska applikationer kan inkludera:

• kompakta trådlösa sensorer,

• små övervakningsenheter,

• sändare med låg driftcykel,

• små spårningsenheter,

• kompakt brukselektronik.

Den är särskilt lämplig när systemet kräver ett litet primärbatteri men fortfarande drar nytta av ytterligare pulsstöd.

ER14250 + LIC0820

ER14250 är en vanlig kompakt Li-SOCl2-storlek som används i industrielektronik och smarta sensingsprodukter.

När den kombineras med LIC0820 kan den ge en användbar balans mellan kompakta dimensioner, lång väntetidsdrift och periodisk trådlös kommunikation.

Möjliga tillämpningar inkluderar:

• smarta sensorer,

• kompakta elmätare,

• säkerhetsenheter,

• fjärrövervakningsnoder,

• låg-effekts RF-enheter.

ER14505 + LIC1020

ER14505 erbjuder högre energikapacitet samtidigt som den behåller ett välbekant AA-format.

I kombination med LIC1020 kan denna konfiguration övervägas för IoT-produkter som kräver en längre driftperiod eller större kommunikationskrav än mindre batterisystem.

Typiska applikationer kan inkludera:

• smarta vattenmätare,

• gasmätare,

• tillämpningar för tilldelningsspårning,

• LoRa- och LoRaWAN-noder,

• NB-IoT-sensorer,

• industriella övervakningssystem.

ER26500 + LIC1320

När energibehovet ökar blir ER26500 ett attraktivt alternativ för industriella IoT-system med lång livslängd.

Den större batterien ger betydligt mer tillgänglig energi än kompakta ER-celler, medan LIC1320 stödjer systemet under kommunikation eller andra händelser med hög belastning.

Möjliga tillämpningar inkluderar:

• NB-IoT-övervakningsenheter,

• fjärrtelemetrienheter,

• industriella sensorer,

• smart mätutrustning,

• jordbruks-IoT,

• miljöövervakning,

• infrastrukturövervakning.

Denna typ av kombination är särskilt användbar för enheter som förväntas vara i fältet under långa perioder utan ofta batteribytning.

ER34615 + LIC1620

ER34615 är en D-storleks-Li-SOCl2-batteri som ofta väljs när lång livslängd och hög total energi är viktiga.

I kombination med LIC1620 kan den stödja krävande IoT-applikationer som kombinerar mycket låg vilostromförbrukning med periodisk kommunikation vid hög ström.

Möjliga tillämpningar inkluderar:

• långlivade smarta mätare,

• fjärrövervakningssystem,

• industriell telemetri,

• GPS och tilldelningsspårning,

• rörledningsövervakning,

• utomhus-IoT-utrustning,

• cellulärt anslutna sensorer.

ER34615 + LIC1840

För applikationer med både hög energiförbrukning och mer krävande pulslaster erbjuder ER34615 + LIC1840 ett annat alternativ.

Den större LIC kan övervägas när trådlösa kommunikationssystem eller enhetsarkitekturer kräver starkare pulsstöd.

Typiska applikationer kan inkludera:

• högpresterande NB-IoT-enheter,

• LTE-M-kommunikationsterminaler,

• fjärrövervakning av industriella system,

• spårningsenheter,

• smart infrastruktur,

• anläggningsteknik,

• utomhusanslutna system.

Den exakta kombinationen av ER-batteri och LIC bör alltid väljas utifrån den verkliga elektriska profilen för enheten snarare än enbart applikationsnamnet.

Hur man väljer rätt ER + LIC-kombination

Det finns ingen enda batterikombination som är idealisk för varje IoT-applikation.

En pålitlig kraftlösning börjar med att förstå den faktiska lastprofilen.

Innan ett ER-batteri och en LIC väljs bör ingenjörer utvärdera följande parametrar.

1. Väntström

Hur mycket ström förbrukar enheten i viloläge?

Eftersom IoT-enheter kan tillbringa större delen av sin livstid i väntläge kan även en liten förändring i viloströmmen ha en betydande effekt på total batterilivslängd.

2. Topppulsström

Vilken är den högsta strömmen som krävs när modem, radio, motor, ventil eller annan last aktiveras?

Detta är en av de viktigaste parametrarna vid val av LIC.

3. Pulslängd

En kort puls som varar några millisekunder skiljer sig mycket från en last som förblir hög i flera sekunder.

Toppspänning och pulslängd måste därför betraktas tillsammans.

4. Sändningsfrekvens

Hur ofta kommunicerar enheten?

En gång per dag?

En gång per timme?

Varje några minuter?

En enhet som sänder ofta kan ställa helt andra krav på batterisystemet jämfört med en enhet som skickar ett kort paket per dag.

5. Minsta driftspänning

Alla elektroniska system har en minsta spänning under vilken tillförlitlig drift inte kan garanteras.

Kraftlösningen måste bibehålla tillräcklig spänning under högsta lastförhållandet.

6. Driftstemperatur

Temperatur påverkar batteriets prestanda, pulsbeteende, inre resistans och användbara kapacitet.

Utomhus- och industriella IoT-enheter kan utsättas för mycket olika förhållanden jämfört med inomhus-elektronik.

7. Krävd livslängd

Ett femårigt konstruktionsmål och ett femtonårigt konstruktionsmål bör inte automatiskt använda samma batteri.

Förväntad livslängd måste utvärderas tillsammans med standby-ström, sändningsfrekvens, självurladdning och miljöförhållanden.

8. Tillgängligt installationsutrymme

Den ideala elektriska lösningen måste fortfarande få plats inuti enheten.

Det är därför användbart med flera kombinationer, från ER10450 + LIC0813 till ER34615 + LIC1840.

Ökar en LIC batteriets Ah-kapacitet?

Detta är en viktig skillnad.

En LIC läggs vanligtvis inte främst till för att öka den nominella Ah-kapaciteten hos ER-batteriet.

Huvudsyftet är att förbättra effektleveransen vid korta pulser.

ER-batteriet förblir den primära energikällan på lång sikt.

LIC:n fungerar som en effektpuffert under pulslasthändelser.

Därför bör ingenjörer vid beräkning av förväntad driftlivslängd fortfarande utvärdera den användbara kapaciteten hos ER-batteriet tillsammans med hela enhetens driftcykel.

ER-batteri + LIC jämfört med höghastighetsbatteri

Det finns flera sätt att driva en IoT-enhet med hög pulsfrekvens.

Ett alternativ är att använda en batterikemi eller cellkonstruktion som specifikt är utformad för högre kontinuerlig och pulserande ström.

Ett annat alternativ är att kombinera en högenergi-Li-SOCl2-cell med en pulsstödkomponent, till exempel en LIC.

Valet av rätt lösning beror på applikationen.

En ER + LIC-arkitektur kan vara särskilt attraktiv när systemet kräver:

• mycket låg självurladdning,

• lång väntetidslivslängd,

• hög total energi,

• och endast periodiska högströmspulser.

Istället for att optimera hela batteriet kring en kort kommunikationshändelse separerar systemet energibehovet från effektbehovet.

Typiska tillämpningar för ER + LIC-strömsystem

Denna typ av hybridstruktur för kraftförsörjning kan övervägas för många batteridrivna anslutna produkter, inklusive:

Smart mätning

• Smart water meters

• Smarta gasmätare

• Smarta el-mätare

• Värmemätare

Trådlös IoT

• NB-IoT-sensorer

• LTE-M-enheter

• LoRaWAN-noder

• RF-kommunikationsutrustning

Spårning

• GPS-spårare

• Tillämpningar för spårning av tillgångar

• Enheter för övervakning av logistik

• Fjärrplaceringssändare

Industriell IoT

• Industriella sensorer

• Utrustning för fjärrövervakning

• Rörledningsövervakning

• Övervakning av infrastruktur

• Säkerhets- och larmsystem

Övervakning av miljö och jordbruk

• Vädersensorer

• Utrustning för markövervakning

• IoT-enheter för jordbruk

• Miljödataloggare

Varför hela lastprofilen är viktig

Att välja rätt IoT-batteri handlar inte enbart om att välja den största möjliga kapaciteten.

Till exempel kan två enheter båda använda NB-IoT-kommunikation men ha helt olika effektkrav.

Enhet A kan sända ett kort meddelande varje 24:e timme.

Enhet B kan sända var 15:e minut och utföra frekventa nätverksregistreringar.

Även om båda produkterna använder samma kommunikationsteknik kan deras batterikrav skilja sig åt mycket.

Av denna anledning är de mest användbara uppgifterna att ange vid begäran om en elkällslösning följande:

• normal driftström,

• vilostrom,

• maximal pulsström,

• pulslängd,

• kommunikationsfrekvens,

• minsta driftspänning,

• miljötemperaturområde,

• målt tjänsteliv,

• och tillgängliga batteristorlekar.

Med denna information kan ett mer lämpligt ER-batteri och LIC-kombination utvärderas.

En skalbar kraftplattform för IoT-enheter

Området från ER10450 + LIC0813 till ER34615 + LIC1840 skapar en skalbar plattform för olika IoT-produktstorlekar och effektkrav.

Mindre kombinationer kan stödja kompakta anslutna sensorer där installationsutrymmet är begränsat.

Konfigurationer av mellanstorlek kan användas för smart mätning, spårning och allmän trådlös sensning.

Större kombinationer kan stödja fjärrindustriella enheter som kräver både lång driftstid och bättre pulsprestation.

Istället for att behandla batteriet som en fristående komponent kan IoT-utvecklare utvärdera hela kraftarkitekturen utifrån enhetens faktiska driftscykel.

Slutsats

Modern IoT-utrustning kräver mer än bara ett batteri med stor kapacitet.

De kräver ofta ett kraftsystem som kan leverera mycket låg ström effektivt i månader eller år, samtidigt som det fortfarande stödjer korta perioder med betydligt högre ström under kommunikation.

Att kombinera ett Li-SOCl2-ER-batteri med en litiumjonkondensator (LIC) är ett praktiskt sätt att möta båda kraven.

ER-batteriet tillhandahåller långsiktig energi.

LIC:n tillhandahåller stöd för pulskraft.

Från kompakta kombinationer såsom ER10450 + LIC0813 till system med högre energi såsom ER34615 + LIC1840 , beror den rätta lösningen på enhetens faktiska viloström, pulsström, pulslängd, kommunikationsfrekvens, temperatur och erforderlig livslängd.

För val av batteri för IoT är den viktigaste frågan därför inte enkelt:

"Vilket batteri har störst kapacitet?"

En bättre fråga är:

"Vilken effektkombination passar bäst den verkliga driftprofilen för enheten?"

Cowon kan erbjuda anpassade ER-batteri + LIC-konfigurationer för olika IoT-, smartmätar-, spårnings- och industriella applikationer, baserat på kundens elektriska och mekaniska krav.