Pin ER + Tụ điện lithium-ion dành cho IoT: Hướng dẫn về pin Li-SOCl2 có khả năng cung cấp công suất xung cao

Pin ER + Tụ điện lithium-ion cho IoT: Lựa chọn giải pháp pin Li-SOCl2 có công suất xung cao phù hợp

Khi ngày càng nhiều thiết bị IoT được triển khai trong lĩnh vực đo đếm thông minh, giám sát từ xa, theo dõi tài sản, cảm biến môi trường và tự động hóa công nghiệp, thiết kế nguồn điện trở nên ngày càng quan trọng.

Nhiều thiết bị IoT có một đặc điểm chung: chúng tiêu thụ rất ít điện năng hầu hết thời gian, nhưng định kỳ đòi hỏi dòng điện cao hơn nhiều khi mô-đun không dây thức dậy và truyền dữ liệu.

Điều này tạo ra một thách thức.

Một pin hoạt động xuất sắc dưới tải liên tục thấp chưa chắc đã được tối ưu hóa cho các xung ngắn với dòng điện cao. Ngược lại, việc lựa chọn pin chỉ dựa trên khả năng xung cao có thể làm tăng kích thước, chi phí hoặc tỷ lệ tự xả một cách không cần thiết.

Một giải pháp thực tiễn là kết hợp pin lithium thionyl clorua với tụ điện lithium-ion.

Tại Cowon, các tổ hợp điển hình bao gồm:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Các tổ hợp này được thiết kế nhằm cân bằng hai yêu cầu quan trọng trong thiết bị IoT chạy pin:

cung cấp năng lượng dài hạn và công suất xung ngắn hạn cao.

Tại sao thiết bị IoT cần cả năng lượng lẫn công suất

Một thiết bị IoT không dây điển hình không tiêu thụ dòng điện với tốc độ không đổi.

Chu kỳ hoạt động của nó có thể như sau:

Ngủ → Tỉnh dậy → Đo lường → Truyền dữ liệu → Trở lại chế độ ngủ

Trong chế độ ngủ, mức tiêu thụ dòng điện có thể cực kỳ thấp.

Tuy nhiên, khi mô-đun truyền thông được kích hoạt, nhu cầu dòng điện có thể tăng đáng kể trong một khoảng thời gian ngắn.

Hiện tượng này phổ biến ở các thiết bị sử dụng công nghệ truyền thông như:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• Truyền thông RF

Điều này có nghĩa là chỉ dựa vào mức tiêu thụ dòng điện trung bình là chưa đủ để chọn pin phù hợp.

Các kỹ sư cũng cần xem xét các yếu tố sau:

• dòng điện đỉnh,

• thời lượng xung,

• tần số xung,

• điện áp hoạt động tối thiểu,

• nhiệt độ,

• tuổi thọ dự kiến,

• và không gian lắp đặt khả dụng.

Một pin có thể chứa đủ năng lượng tổng để vận hành một thiết bị trong nhiều năm, nhưng thiết bị vẫn có thể hỏng nếu điện áp giảm xuống dưới điện áp vận hành tối thiểu của mạch điện tử trong quá trình truyền tải.

Đó là lúc giải pháp pin ER kết hợp với LIC trở nên hữu ích.

Pin Li-SOCl2 loại ER là gì?

Pin ER là pin lithium sơ cấp dựa trên hóa học Lithium Thionyl Chloride, thường được viết tắt là Li-SOCl2.

Chúng thường cung cấp điện áp định mức 3,6 V và được sử dụng rộng rãi trong thiết bị công nghiệp và IoT nhờ một số đặc tính quan trọng sau:

• mật độ năng lượng cao,

• tỷ lệ tự xả thấp,

• khả năng lưu trữ lâu dài,

• điện áp ổn định trong quá trình xả ở tốc độ thấp,

• khả năng hoạt động ở dải nhiệt độ rộng,

• và khả năng vận hành không cần giám sát trong thời gian dài.

Các kích thước pin ER phổ biến bao gồm:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 và ER34615.

Các tế bào nhỏ hơn hữu ích khi không gian trên bảng mạch in (PCB) và kích thước sản phẩm bị giới hạn, trong khi các tế bào lớn hơn như ER26500 và ER34615 cung cấp năng lượng đáng kể hơn cho các ứng dụng yêu cầu tuổi thọ sử dụng dài hơn.

Tuy nhiên, dung lượng năng lượng chỉ là một phần trong thiết kế hệ thống điện.

Tại sao nên bổ sung tụ điện ion-liti?

Tụ điện ion-liti (LIC) được sử dụng như một thành phần hỗ trợ công suất cao.

Trong một hệ thống điện lai được thiết kế đúng cách, pin ER cung cấp năng lượng dài hạn cần thiết cho thiết bị, trong khi LIC hỗ trợ các khoảng thời gian ngắn có nhu cầu dòng điện cao.

Một cách đơn giản để hiểu mối quan hệ này là:

Pin ER = Năng lượng dài hạn

Pin LIC = Công suất xung ngắn hạn

Trong chế độ chờ bình thường, pin ER cung cấp dòng điện nền thấp.

Khi thiết bị thức dậy và mô-đun không dây bắt đầu truyền dữ liệu, pin LIC có thể hỗ trợ cung cấp dòng điện xung bổ sung cần thiết cho tải.

Sau sự kiện truyền dữ liệu, hệ thống trở lại trạng thái tiêu thụ điện thấp.

Kiến trúc này có thể giúp cải thiện độ ổn định điện áp trong các sự kiện dòng điện cao và giảm căng thẳng điện trực tiếp lên pin chính.

Tại sao không dùng riêng pin Li-SOCl2?

Pin Li-SOCl2 đặc biệt hấp dẫn đối với các ứng dụng yêu cầu tuổi thọ hoạt động dài do tốc độ tự xả thấp và mật độ năng lượng cao.

Tuy nhiên, nhiều pin ER dung lượng cao chủ yếu được tối ưu hóa cho việc phóng điện dài hạn ở dòng thấp.

Một đặc tính khác của hóa học Li-SOCl2 là hiện tượng tạo lớp thụ động.

Trong quá trình lưu trữ và hoạt động ở dòng điện thấp, một lớp bảo vệ hình thành trên bề mặt liti. Lớp này góp phần mang lại đặc tính lưu trữ xuất sắc và tỷ lệ tự xả thấp cho pin.

Tuy nhiên, trong một số điều kiện vận hành nhất định, đặc biệt sau thời gian lưu trữ kéo dài, việc tải đột ngột tăng lên có thể gây ra hiện tượng sụt áp tạm thời.

Đối với mạch tiêu thụ công suất thấp đơn giản, điều này có thể không quan trọng.

Tuy nhiên, đối với mô-đun truyền thông IoT, hiện tượng sụt áp tạm thời có thể rất nghiêm trọng.

Nếu điện áp hệ thống giảm xuống dưới điện áp vận hành tối thiểu của bộ điều chế – giải điều chế (modem), vi điều khiển (MCU) hoặc mạch tần số vô tuyến (RF), thiết bị có thể khởi động lại, không đăng ký được vào mạng hoặc mất dữ liệu đang truyền.

Việc bổ sung một tụ điện ion liti (LIC) được chọn phù hợp có thể giúp cung cấp dòng điện trong thời gian ngắn cần thiết trong các sự kiện như vậy.

Sáu cấu hình kết hợp ER + LIC dành cho các yêu cầu IoT khác nhau

Các sản phẩm IoT khác nhau đòi hỏi các tổ hợp khác nhau về dung lượng năng lượng, khả năng xung và kích thước vật lý.

Cowon cung cấp nhiều cấu hình ER + LIC khác nhau để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau.

ER10450 + LIC0813

Tổ hợp nhỏ gọn này phù hợp với các sản phẩm IoT thu nhỏ, nơi không gian bảng mạch in (PCB) và kích thước pin là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

Các ứng dụng điển hình có thể bao gồm:

• các cảm biến không dây nhỏ gọn,

• các thiết bị giám sát nhỏ,

• các bộ phát có chu kỳ hoạt động thấp,

• các thiết bị định vị nhỏ,

• các thiết bị điện tử tiện ích nhỏ gọn.

Sản phẩm đặc biệt phù hợp khi hệ thống yêu cầu một pin chính nhỏ nhưng vẫn được hưởng lợi từ khả năng hỗ trợ xung bổ sung.

ER14250 + LIC0820

ER14250 là kích thước pin Li-SOCl2 nhỏ gọn phổ biến, được sử dụng trong thiết bị điện tử công nghiệp và các sản phẩm cảm biến thông minh.

Khi kết hợp với LIC0820, bộ pin này mang lại sự cân bằng hữu ích giữa kích thước nhỏ gọn, thời gian chờ dài và khả năng truyền thông không dây định kỳ.

Các ứng dụng tiềm năng bao gồm:

• các cảm biến thông minh,

• các đồng hồ đo tiện ích nhỏ gọn,

• các thiết bị an ninh,

• các nút giám sát từ xa,

• các thiết bị RF tiêu thụ điện năng thấp.

ER14505 + LIC1020

ER14505 cung cấp dung lượng năng lượng cao hơn trong khi vẫn giữ nguyên định dạng quen thuộc cỡ AA.

Kết hợp với LIC1020, cấu hình này có thể được xem xét cho các sản phẩm IoT yêu cầu thời gian hoạt động dài hơn hoặc nhu cầu truyền thông cao hơn so với các hệ thống pin nhỏ hơn.

Các ứng dụng điển hình có thể bao gồm:

• các đồng hồ đo nước thông minh,

• các đồng hồ đo khí ga,

• các thiết bị theo dõi tài sản,

• Các nút LoRa và LoRaWAN,

• Các cảm biến NB-IoT,

• các hệ thống giám sát công nghiệp.

ER26500 + LIC1320

Khi nhu cầu năng lượng tăng lên, pin ER26500 trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các hệ thống IoT công nghiệp có tuổi thọ dài.

Pin lớn hơn cung cấp năng lượng khả dụng nhiều hơn đáng kể so với các pin ER nhỏ gọn, trong khi LIC1320 hỗ trợ hệ thống trong quá trình truyền thông hoặc các sự kiện tải đỉnh khác.

Các ứng dụng tiềm năng bao gồm:

• Các thiết bị giám sát NB-IoT,

• các đơn vị viễn đo từ xa,

• các cảm biến công nghiệp,

• thiết bị đo đếm thông minh,

• ioT nông nghiệp,

• giám sát môi trường,

• giám sát cơ sở hạ tầng.

Loại kết hợp này đặc biệt hữu ích cho các thiết bị dự kiến sẽ hoạt động ngoài hiện trường trong thời gian dài mà không cần thay pin thường xuyên.

ER34615 + LIC1620

ER34615 là pin Li-SOCl2 cỡ D, thường được chọn khi tuổi thọ sử dụng dài và tổng năng lượng cao là những yếu tố quan trọng.

Kết hợp với LIC1620, nó có thể hỗ trợ các ứng dụng IoT đòi hỏi khắt khe, kết hợp mức tiêu thụ điện cực thấp ở chế độ chờ với việc truyền thông định kỳ ở dòng cao.

Các ứng dụng tiềm năng bao gồm:

• đồng hồ đo thông minh tuổi thọ dài,

• hệ thống giám sát từ xa,

• truyền dữ liệu công nghiệp,

• Định vị GPS và theo dõi tài sản,

• giám sát đường ống,

• thiết bị IoT ngoài trời,

• cảm biến kết nối di động.

ER34615 + LIC1840

Đối với các ứng dụng vừa có nhu cầu năng lượng cao vừa yêu cầu tải xung khắt khe hơn, tổ hợp ER34615 + LIC1840 cung cấp một lựa chọn khác.

Có thể cân nhắc sử dụng LIC lớn hơn khi hệ thống truyền thông không dây hoặc kiến trúc thiết bị yêu cầu khả năng hỗ trợ tải xung mạnh hơn.

Các ứng dụng điển hình có thể bao gồm:

• thiết bị NB-IoT công suất cao,

• Thiết bị đầu cuối truyền thông LTE-M,

• giám sát công nghiệp từ xa,

• thiết bị định vị,

• hạ tầng thông minh,

• thiết bị tiện ích,

• các hệ thống kết nối ngoài trời.

Tổ hợp pin và tụ điện ion lithium (LIC) cụ thể luôn phải được chọn dựa trên đặc tuyến điện thực tế của thiết bị, chứ không chỉ dựa vào tên ứng dụng.

Cách chọn tổ hợp pin ER và LIC phù hợp

Không tồn tại một tổ hợp pin nào là lý tưởng cho mọi ứng dụng IoT.

Một giải pháp cấp nguồn đáng tin cậy bắt đầu từ việc hiểu rõ đặc tuyến tải thực tế.

Trước khi chọn pin ER và tụ điện ion lithium (LIC), kỹ sư cần đánh giá các thông số sau.

1. Dòng điện chờ

Thiết bị tiêu thụ bao nhiêu dòng điện khi ở chế độ ngủ?

Vì các thiết bị IoT có thể dành phần lớn thời gian hoạt động trong chế độ chờ, nên ngay cả sự thay đổi nhỏ về dòng điện chờ cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ tổng thể của pin.

2. Dòng điện đỉnh

Dòng điện cao nhất cần thiết là bao nhiêu khi bộ điều chế-giải điều chế, đài phát thanh, động cơ, van hoặc tải khác được kích hoạt?

Đây là một trong những thông số quan trọng nhất khi chọn LIC.

3. Thời lượng xung

Một xung ngắn kéo dài vài mili giây rất khác biệt so với tải duy trì ở mức cao trong vài giây.

Do đó, dòng điện đỉnh và thời lượng xung phải được xem xét cùng nhau.

4. Tần số truyền

Thiết bị giao tiếp bao nhiêu lần?

Một lần mỗi ngày?

Một lần mỗi giờ?

Mỗi vài phút?

Một thiết bị truyền dữ liệu thường xuyên có thể đặt ra những yêu cầu rất khác biệt đối với hệ thống pin so với một thiết bị chỉ gửi một gói dữ liệu ngắn mỗi ngày.

5. Điện áp hoạt động tối thiểu

Mọi hệ thống điện tử đều có một điện áp tối thiểu, dưới mức đó không thể đảm bảo hoạt động ổn định.

Giải pháp cấp nguồn phải duy trì điện áp đủ cao trong điều kiện tải cao nhất.

6. Nhiệt độ hoạt động

Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất pin, đặc tính xung, điện trở trong và dung lượng sử dụng được.

Các thiết bị IoT ngoài trời và công nghiệp có thể chịu các điều kiện rất khác biệt so với thiết bị điện tử trong nhà.

7. Tuổi thọ dịch vụ yêu cầu

Một thiết kế có tuổi thọ năm năm và một thiết kế có tuổi thọ mười lăm năm không nên tự động sử dụng cùng loại pin.

Tuổi thọ dự kiến phải được đánh giá đồng thời với dòng điện chờ, tần suất truyền dữ liệu, tỷ lệ tự xả và điều kiện môi trường.

8. Không gian lắp đặt khả dụng

Giải pháp điện lý tưởng vẫn phải vừa vặn bên trong thiết bị.

Đây là lý do vì sao nhiều tổ hợp khác nhau — từ ER10450 + LIC0813 đến ER34615 + LIC1840 — đều hữu ích.

Việc sử dụng LIC có làm tăng dung lượng Ah của pin không?

Đây là một điểm khác biệt quan trọng.

Thông thường, LIC không được thêm vào chủ yếu nhằm tăng dung lượng Ah danh định của pin ER.

Mục đích chính là cải thiện khả năng cung cấp công suất trong thời gian ngắn.

Pin ER vẫn là nguồn năng lượng chính cho thời gian dài.

LIC hoạt động như bộ đệm công suất trong các sự kiện tải xung.

Do đó, khi tính toán tuổi thọ hoạt động dự kiến, kỹ sư vẫn cần đánh giá dung lượng sử dụng được của pin ER cùng với toàn bộ chu kỳ làm việc của thiết bị.

Pin ER + LIC so với pin tốc độ cao

Có một số cách để cấp điện cho thiết bị IoT có xung cao.

Một lựa chọn là sử dụng hóa học pin hoặc cấu tạo tế bào được thiết kế đặc biệt để chịu được dòng liên tục và dòng xung cao hơn.

Một lựa chọn khác là kết hợp tế bào Li-SOCl2 có năng lượng cao với thành phần hỗ trợ xung như LIC.

Lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng.

Kiến trúc ER + LIC có thể đặc biệt hấp dẫn khi hệ thống cần:

• tỷ lệ tự phóng điện rất thấp,

• thời gian chờ dài,

• tổng năng lượng cao,

• và chỉ các xung dòng cao định kỳ.

Thay vì tối ưu toàn bộ pin cho một sự kiện truyền thông ngắn, hệ thống tách yêu cầu năng lượng ra khỏi yêu cầu công suất.

Các ứng dụng điển hình cho hệ thống điện năng ER + LIC

Loại kiến trúc điện năng lai này có thể được xem xét cho nhiều sản phẩm kết nối chạy bằng pin, bao gồm:

Đo lường Thông minh

• Đồng hồ đo nước thông minh

• Đồng hồ đo khí thông minh

• Đồng hồ điện thông minh

• Đồng hồ đo nhiệt

IoT không dây

• Cảm biến NB-IoT

• Thiết bị LTE-M

• Nút LoRaWAN

• Thiết bị truyền thông RF

Theo dõi

• Thiết bị theo dõi GPS

• Thiết bị theo dõi tài sản

• Thiết bị giám sát hậu cần

• Thiết bị định vị từ xa

IoT Công Nghiệp

• Cảm biến công nghiệp

• Thiết bị giám sát từ xa

• Giám sát Đường ống

• Giám sát cơ sở hạ tầng

• Hệ thống an ninh và báo động

Giám sát môi trường và nông nghiệp

• Cảm biến thời tiết

• Thiết bị giám sát đất

• Thiết bị IoT nông nghiệp

• Máy ghi dữ liệu môi trường

Tại sao Hồ sơ Tải Đầy đủ Lại Quan trọng

Việc chọn pin IoT phù hợp không đơn thuần là chọn pin có dung lượng lớn nhất có thể.

Ví dụ, hai thiết bị có thể đều sử dụng công nghệ truyền thông NB-IoT nhưng lại có yêu cầu công suất hoàn toàn khác nhau.

Thiết bị A có thể truyền một tin nhắn ngắn mỗi 24 giờ.

Thiết bị B có thể truyền dữ liệu mỗi 15 phút và thường xuyên thực hiện đăng ký mạng.

Ngay cả khi cả hai sản phẩm đều sử dụng cùng một công nghệ truyền thông, nhu cầu về pin của chúng vẫn có thể rất khác biệt.

Vì lý do này, thông tin hữu ích nhất cần cung cấp khi yêu cầu giải pháp cấp nguồn bao gồm:

• dòng điện hoạt động bình thường,

• dòng điện ở chế độ ngủ,

• dòng điện xung cực đại,

• thời lượng xung,

• tần suất giao tiếp,

• điện áp hoạt động tối thiểu,

• dải nhiệt độ môi trường,

• tuổi thọ dịch vụ mục tiêu,

• và kích thước pin khả dụng.

Với thông tin này, có thể đánh giá một tổ hợp pin ER và LIC phù hợp hơn.

Một nền tảng năng lượng mở rộng được thiết kế cho các thiết bị IoT

Dải tổ hợp từ ER10450 + LIC0813 đến ER34615 + LIC1840 tạo thành một nền tảng mở rộng được cho nhiều kích cỡ sản phẩm IoT và yêu cầu công suất khác nhau.

Các tổ hợp nhỏ hơn có thể hỗ trợ các cảm biến kết nối nhỏ gọn, nơi không gian lắp đặt bị hạn chế.

Các cấu hình ở mức trung bình có thể phục vụ đo đếm thông minh, theo dõi và cảm biến không dây nói chung.

Các tổ hợp lớn hơn có thể hỗ trợ các thiết bị công nghiệp từ xa đòi hỏi cả tuổi thọ hoạt động dài và hiệu năng xung mạnh.

Thay vì xem pin như một thành phần độc lập, các nhà phát triển IoT có thể đánh giá toàn bộ kiến trúc cấp nguồn dựa trên chu kỳ hoạt động thực tế của thiết bị.

Kết luận

Các thiết bị IoT hiện đại đòi hỏi nhiều hơn là chỉ một pin có dung lượng lớn.

Chúng thường cần một hệ thống cấp nguồn có khả năng cung cấp dòng điện rất thấp một cách hiệu quả trong nhiều tháng hoặc nhiều năm, đồng thời vẫn hỗ trợ các khoảng thời gian ngắn với dòng điện cao hơn nhiều trong quá trình truyền thông.

Kết hợp pin ER Li-SOCl2 với tụ điện ion-liti (Lithium-Ion Capacitor) là một giải pháp thực tiễn để đáp ứng cả hai yêu cầu này.

Pin ER cung cấp năng lượng lâu dài.

Tụ điện ion-liti (LIC) cung cấp hỗ trợ công suất xung.

Từ các tổ hợp nhỏ gọn như ER10450 + LIC0813 đến các hệ thống có năng lượng cao hơn như ER34615 + LIC1840 , giải pháp phù hợp phụ thuộc vào dòng điện chờ thực tế, dòng điện xung, thời gian xung, tần suất truyền thông, nhiệt độ và tuổi thọ phục vụ yêu cầu của thiết bị.

Do đó, câu hỏi quan trọng nhất khi chọn pin cho thiết bị IoT không đơn thuần là:

pin nào có dung lượng lớn nhất?

Một câu hỏi hay hơn là:

tổ hợp công suất nào phù hợp nhất với hồ sơ vận hành thực tế của thiết bị?

Cowon có thể hỗ trợ cấu hình pin ER tùy chỉnh cộng với LIC cho các ứng dụng IoT, đo đếm thông minh, theo dõi và công nghiệp khác nhau dựa trên yêu cầu điện và cơ học của khách hàng.