Акумулятор ER із LIC для IoT: керівництво з високопульсної потужності на основі Li-SOCl₂

Акумулятор ER і літій-іонний конденсатор для IoT: вибір правильного рішення на основі літій-тионілхлоридних акумуляторів з високою потужністю імпульсного живлення

Оскільки кількість пристроїв IoT, що застосовуються в інтелектуальних лічильниках, дистанційному моніторингу, відстеженні активів, екологічному моніторингу та промисловій автоматизації, постійно зростає, проектування систем живлення стає все важливішим.

Багато пристроїв IoT мають одну спільну рису: вони споживають надзвичайно мало енергії більшу частину часу, але періодично потребують значно більшого струму, коли бездротовий модуль «прокидається» й передає дані.

Це створює проблему.

Акумулятор, який чудово працює при низьких постійних навантаженнях, не завжди оптимізований для короткочасних імпульсів високого струму. З іншого боку, вибір акумулятора лише з огляду на здатність до високих імпульсів може непотрібно збільшити його розміри, вартість або саморозряд.

Одним практичним рішенням є поєднання літій-тионілхлоридного акумулятора з літій-іонним конденсатором.

У компанії Cowon типовими комбінаціями є:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Ці комбінації розроблено, щоб збалансувати дві важливі вимоги до акумуляторних IoT-пристроїв:

тривалий енергозабір та короткочасну потужність імпульсного живлення.

Чому IoT-пристроям потрібні й енергія, й потужність

Типовий бездротовий IoT-пристрій не споживає струм постійно.

Його робочий цикл може виглядати так:

Сон → Прокинутися → Виміряти → Передати дані → Повернутися в режим сну

У режимі сну споживання струму може бути надзвичайно низьким.

Однак, коли модуль зв’язку активований, струмове навантаження може значно зростати протягом короткого періоду.

Це поширено в пристроях, що використовують технології зв’язку, такі як:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• Радіочастотний зв’язок

Це означає, що лише середнє споживання струму недостатньо для вибору відповідної батареї.

Інженери також повинні враховувати:

• піковий струм,

• тривалість імпульсу,

• частоту імпульсів,

• мінімальна робоча напруга,

• температуру,

• очікуваний термін служби,

• та наявне місце для встановлення.

Акумулятор може містити достатню загальну кількість енергії для роботи пристрою протягом багатьох років, але пристрій все одно може вийти з ладу, якщо напруга впаде нижче мінімального робочого рівня електроніки під час передачі.

Саме тут рішення з ER-акумулятором та LIC стає корисним.

Що таке ER-акумулятор Li-SOCl₂?

ER-акумулятори — це первинні літієві акумулятори на основі хімії літій-тионілхлориду, яку зазвичай позначають як Li-SOCl₂.

Зазвичай вони забезпечують номінальну напругу 3,6 В і широко використовуються в промисловому обладнанні та IoT-пристроях завдяки кільком важливим характеристикам:

• високій щільності енергії,

• низькому саморозряду,

• тривалій здатності до зберігання,

• стабільній напрузі під час розряду з низькою швидкістю,

• широкі можливості роботи в різних температурних умовах,

• та придатність до тривалої експлуатації без нагляду.

Поширені розміри батарей ER включають:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 та ER34615.

Менші елементи корисні, коли обмежено місце на друкованій платі та габарити виробу, тоді як більші елементи, такі як ER26500 та ER34615, забезпечують значно більшу енергію для застосувань, що вимагають тривалого терміну служби.

Однак ємність зберігання енергії — це лише одна частина проектування енергосистеми.

Чому додавати літій-іонний конденсатор?

Літій-іонний конденсатор (LIC) використовується як компонент підтримки високої потужності.

У правильно спроектованій гібридній енергосистемі батарея ER забезпечує тривалу енергію, необхідну пристрою, тоді як LIC допомагає забезпечити короткочасні періоди високого струмового навантаження.

Простий спосіб зрозуміти цей взаємозв’язок:

Акумулятор ER = довготривальна енергія

LIC = короткотривальна імпульсна потужність

Під час звичайної роботи в режимі очікування акумулятор ER забезпечує низький фоновий струм.

Коли пристрій «прокидається» й бездротовий модуль починає передавати дані, LIC може забезпечити додатковий імпульсний струм, необхідний для навантаження.

Після завершення передавання система повертається до стану низькоспоживаної роботи.

Така архітектура може покращити стабільність напруги під час подій з високим струмом і зменшити електричне навантаження, що безпосередньо діє на первинний акумулятор.

Чому не використовувати акумулятор Li-SOCl2 окремо?

Акумулятори Li-SOCl2 особливо привабливі для застосувань, де потрібний тривалий термін роботи, завдяки низькому саморозряду та високій енергетичній щільності.

Однак багато високоємнісних елементів ER оптимізовані переважно для тривалого розряду при низькому струмі.

Інша характерна риса хімії Li-SOCl2 — пасивація.

Під час зберігання та роботи при низькому струмі на поверхні літію утворюється захисний шар. Цей шар забезпечує відмінні характеристики зберігання та низький саморозряд акумулятора.

Однак за певних умов експлуатації, особливо після тривалого зберігання, раптове збільшення навантаження може спричинити тимчасове падіння напруги.

Для простого малопотужного кола це може не мати значення.

Для модуля IoT-зв’язку, однак, тимчасове падіння напруги може бути критичним.

Якщо напруга в системі опускається нижче мінімальної робочої напруги модема, МКУ або радіочастотного кола, пристрій може перезавантажитися, не змогти зареєструватися в мережі або втратити передачу даних.

Використання правильно підібраного LIC допоможе забезпечити короткотривалий струм, необхідний у таких випадках.

Шість конфігурацій ER + LIC для різних вимог IoT

Різні продукти IoT потребують різних поєднань ємності енергії, здатності до імпульсного навантаження та фізичних розмірів.

Cowon пропонує кілька конфігурацій ER + LIC для задоволення різних вимог застосування.

ER10450 + LIC0813

Ця компактна комбінація підходить для мініатюрних IoT-пристроїв, де важливими є обмежене місце на друкованій платі та розмір акумулятора.

Типові сфери застосування можуть включати:

• компактні бездротові сенсори,

• невеликі пристрої моніторингу,

• передавачі з низьким циклом роботи,

• невеликі пристрої відстеження,

• компактну побутову електроніку.

Вона особливо підходить у випадках, коли система потребує невеликого первинного акумулятора, але при цьому вигідно використовує додаткову імпульсну підтримку.

ER14250 + LIC0820

ER14250 — поширений компактний розмір Li-SOCl2, що використовується в промисловій електроніці та продуктах інтелектуального сенсорного контролю.

У парі з LIC0820 він забезпечує корисний баланс між компактними розмірами, тривалим режимом очікування та періодичним бездротовим зв’язком.

Можливі сфери застосування:

• розумні датчики,

• компактні лічильники комунальних послуг,

• пристрої безпеки,

• вузли віддаленого моніторингу,

• низькопотужні радіочастотні пристрої.

ER14505 + LIC1020

ER14505 забезпечує вищу ємність енергії, зберігаючи при цьому знайомий формат розміру AA.

У поєднанні з LIC1020 цю конфігурацію можна розглядати для IoT-продуктів, які вимагають тривалішого терміну роботи або більшої потреби у зв’язку, ніж менші акумуляторні системи.

Типові сфери застосування можуть включати:

• розумні водоміри,

• газові лічильники,

• пристрої для відстеження активів,

• Вузли LoRa та LoRaWAN,

• Датчики NB-IoT,

• промислові системи моніторингу.

ER26500 + LIC1320

Оскільки потреби в енергії зростають, ER26500 стає привабливим варіантом для промислових IoT-систем із тривалим терміном роботи.

Більший акумулятор забезпечує значно більшу кількість доступної енергії порівняно з компактними елементами ER, тоді як LIC1320 підтримує систему під час передачі даних або інших подій із піковим навантаженням.

Можливі сфери застосування:

• Пристрої моніторингу NB-IoT,

• віддалені телеметричні блоки,

• промислові датчики,

• інтелектуальне обладнання для обліку споживання енергії,

• сільськогосподарський Інтернет речей,

• моніторинг навколишнього середовища,

• моніторинг інфраструктури.

Такий тип комбінації особливо корисний для пристроїв, які мають залишатися на місці тривалий час без частого замінювання батареї.

ER34615 + LIC1620

ER34615 — це літій-тиосульфатна батарея розміру D, яку зазвичай вибирають, коли важливі тривалий термін служби та висока загальна ємність.

У парі з LIC1620 вона може забезпечувати вимогливі IoT-застосунки, що поєднують дуже низьке споживання в режимі очікування з періодичними високострумовими передачами даних.

Можливі сфери застосування:

• розумні лічильники з тривалим терміном служби,

• системи віддаленого моніторингу,

• промислова телеметрія,

• GPS та відстеження активів,

• моніторинг каналів передачі даних,

• зовнішнє IoT-обладнання,

• сенсори з підтримкою сотового зв’язку.

ER34615 + LIC1840

Для застосувань із високими вимогами до енергоспоживання та більш вимогливими імпульсними навантаженнями ER34615 + LIC1840 пропонує ще один варіант.

Більший LIC можна розглянути, коли система бездротового зв’язку або архітектура пристрою вимагають підтримки потужніших імпульсів.

Типові сфери застосування можуть включати:

• пристрої NB-IoT з високою потужністю,

• Термінали зв’язку LTE-M,

• віддалений промисловий моніторинг,

• пристрої відстеження,

• розумна інфраструктура,

• обладнання для комунальних потреб,

• зовнішні з’єднані системи.

Точну комбінацію акумулятора та LIC завжди слід вибирати з урахуванням реального електричного профілю пристрою, а не лише назви застосування.

Як вибрати правильну комбінацію ER + LIC

Не існує єдиної комбінації акумуляторів, яка б ідеально підходила для всіх IoT-застосувань.

Надійне джерело живлення починається з розуміння фактичного профілю навантаження.

Перед вибором акумулятора ER та LIC інженери мають оцінити такі параметри.

1. Струм у режимі очікування

Скільки струму споживає пристрій у стані сну?

Оскільки IoT-пристрої можуть проводити більшу частину свого терміну служби у режимі очікування, навіть незначна зміна струму у цьому режимі може суттєво вплинути на загальний термін роботи акумулятора.

2. Піковий струм

Який найвищий струм потрібен під час активації модема, радіо, двигуна, клапана або іншого навантаження?

Це один із найважливіших параметрів при виборі LIC.

3. Тривалість імпульсу

Короткий імпульс тривалістю кілька мілісекунд принципово відрізняється від навантаження, що залишається високим протягом кількох секунд.

Тому піковий струм і тривалість імпульсу слід розглядати разом.

4. Частота передачі

Як часто пристрій здійснює зв’язок?

Один раз на добу?

Один раз на годину?

Кожні кілька хвилин?

Пристрій, що передає дані часто, може ставити до акумуляторної системи зовсім інші вимоги, ніж пристрій, який надсилає один короткий пакет на добу.

5. Мінімальна робоча напруга

Кожна електронна система має мінімальну напругу, нижче якої надійна робота не гарантується.

Рішення щодо живлення має забезпечувати достатню напругу навіть за умови найвищого навантаження.

6. Робоча температура

Температура впливає на продуктивність акумулятора, його імпульсну поведінку, внутрішній опір та корисну ємність.

IoT-пристрої для зовнішнього та промислового використання можуть працювати в умовах, що суттєво відрізняються від умов для внутрішніх електронних пристроїв.

7. Потрібний термін служби

Проект із розрахунковим терміном служби п’ять років і проект із розрахунковим терміном служби п’ятнадцять років не повинні автоматично використовувати один і той самий акумулятор.

Розрахунок очікуваного терміну служби має враховувати струм у режимі очікування, частоту передачі, саморозряд та умови навколишнього середовища.

8. Доступний об’єм для встановлення

Ідеальне електричне рішення має вміщатися всередині пристрою.

Саме тому корисними є кілька комбінацій — від ER10450 + LIC0813 до ER34615 + LIC1840.

Чи збільшує LIC ампер-годинну ємність акумулятора?

Це важлива відмінність.

Зазвичай LIC не додають переважно задля збільшення номінальної ампер-годинної ємності акумулятора ER.

Основна мета — поліпшити подачу потужності протягом короткочасних імпульсних навантажень.

Акумулятор ER залишається основним джерелом енергії на тривалий термін.

LIC виступає як буфер потужності під час імпульсних навантажень.

Тому при розрахунку очікуваного терміну роботи інженери повинні оцінювати придатну ємність акумулятора ER разом із повним циклом навантаження пристрою.

Акумулятор ER + LIC порівняно з акумулятором для високих струмів

Існує кілька способів живлення IoT-пристрою з високими імпульсними навантаженнями.

Один із варіантів — використання хімії акумулятора або конструкції елемента, спеціально розроблених для забезпечення вищих неперервних та імпульсних струмів.

Інший варіант — поєднання елемента Li-SOCl₂ з високою енергійністю з компонентом підтримки імпульсів, наприклад LIC.

Правильний вибір залежить від конкретного застосування.

Архітектура ER + LIC може бути особливо привабливою, коли система потребує:

• дуже низького саморозряду,

• тривалого терміну очікування,

• високої загальної ємності,

• та лише періодичних імпульсів високого струму.

Замість оптимізації всього акумулятора під короткий подію зв’язку система розділяє вимоги до енергії та потужності.

Типові застосування систем живлення ER + LIC

Цей тип гібридної архітектури живлення можна розглянути для багатьох акумуляторних зв’язаних продуктів, у тому числі:

Розумне вимірювання

• Інтелектуальні лічильники води

• Розумні газові лічильники

• Інтелектуальні електролічильники

• Теплові лічильники

Бездротові IoT

• Датчики NB-IoT

• Пристрої LTE-M

• Вузли LoRaWAN

• Радіочастотне обладнання зв’язку

Відстежування

• GPS-трекери

• Пристрої для відстеження активів

• Пристрої для моніторингу логістики

• Далекодіючі маяки розташування

Промисловий Інтернет Речей

• Промислові датчики

• Обладнання для дистанційного моніторингу

• Моніторинг трубопроводів

• Моніторинг інфраструктури

• Системи безпеки та сигналізації

Екологічний та сільськогосподарський моніторинг

• Датчики погоди

• Обладнання для моніторингу ґрунту

• IoT-пристрої для сільського господарства

• Реєстратори екологічних даних

Чому важливо повне навантаження

Вибір правильного акумулятора для IoT — це не просто вибір найбільшої можливої ємності.

Наприклад, два пристрої можуть використовувати одну й ту саму технологію зв’язку NB-IoT, але мати зовсім різні вимоги до живлення.

Пристрій A може передавати одне коротке повідомлення раз на 24 години.

Пристрій B може передавати дані кожні 15 хвилин і часто реєструватися в мережі.

Навіть якщо обидва пристрої використовують одну й ту саму технологію зв’язку, їхні вимоги до акумулятора можуть суттєво відрізнятися.

Тому найкориснішою інформацією для надання при запиті рішення щодо живлення є:

• робочий струм у нормальних умовах,

• струм у режимі сну,

• максимальний імпульсний струм,

• тривалість імпульсу,

• частота зв'язку,

• мінімальна робоча напруга,

• діапазон температур навколишнього середовища,

• розрахунковий термін служби,

• та доступні розміри акумуляторів.

З цією інформацією можна оцінити більш підходящу комбінацію акумулятора ER та конденсатора LIC.

Масштабована платформа живлення для пристроїв Інтернету речей

Діапазон від ER10450 + LIC0813 до ER34615 + LIC1840 утворює масштабовану платформу для різних за розміром і потужністю продуктів Інтернету речей.

Менші комбінації можуть забезпечувати компактні підключені датчики, де обмежено місце для встановлення.

Конфігурації середнього діапазону підходять для розумних лічильників, систем слідкування та загальних бездротових датчиків.

Більші комбінації можуть живити віддалені промислові пристрої, яким потрібні тривалий термін роботи й підвищена продуктивність у імпульсному режимі.

Замість того щоб сприймати акумулятор як окремий компонент, розробники IoT можуть оцінювати повну архітектуру живлення з урахуванням реального циклу навантаження пристрою.

Висновок

Сучасним пристроям IoT потрібне більше, ніж просто акумулятор великої ємності.

Часто вони потребують системи живлення, здатної ефективно забезпечувати дуже низький струм протягом місяців або років, а також підтримувати короткочасні періоди значно вищого струму під час зв’язку.

Поєднання літій-тиосульфатного ER-акумулятора з літій-іонним конденсатором (LIC) — один із практичних способів задовольнити обидва ці вимоги.

ER-акумулятор забезпечує довготривальну енергію.

LIC забезпечує підтримку імпульсної потужності.

Від компактних комбінацій, таких як ER10450 + LIC0813 до систем з вищою енергоємністю, таких як ER34615 + LIC1840 , правильне рішення залежить від реального струму черги пристрою, імпульсного струму, тривалості імпульсу, частоти зв’язку, температури та необхідного терміну служби.

Тому для вибору акумулятора для IoT найважливішим питанням є не просто:

«Який акумулятор має найбільшу ємність?»

Краще запитання:

«Яка комбінація потужності найкраще відповідає реальному профілю роботи пристрою?»

Cowon може забезпечити індивідуальні конфігурації акумуляторів ER і LIC для різних застосувань у сфері IoT, розумних лічильників, систем слідкування та промислових рішень залежно від електричних і механічних вимог замовника.