Mit IIoT verbundene Geräte werden immer drahtloser, um schwer zugängliche und netzunabhängige Umgebungen zu überwachen. In Anwendungen, in denen batteriebetriebene Lösungen erforderlich sind, gibt es zwei Haupttypen von industriellen drahtlosen Remote-Geräten.
Ein Typ verbraucht eine durchschnittliche Energiemenge (einschließlich Hintergrundstrom und Impulse), ist in Mikroampere messbar und wird normalerweise von primären (nicht wiederaufladbaren) Lithiumbatterien in Industriequalität gespeist. Die andere Art der Anwendung verbraucht eine durchschnittliche Energiemenge (einschließlich Hintergrundstrom und Impulse), ist in Milliampere messbar und wird typischerweise von einer Energiegewinnungsvorrichtung in Kombination mit einem Lithium-Ionen- (Li-Ionen-) Akku betrieben.
Grundlegendes zu den verschiedenen primären (nicht wiederaufladbaren) Batterien
Die überwiegende Mehrheit der drahtlosen Remote-Geräte wird mit Primärbatterien betrieben. Zahlreiche Chemikalien stehen zur Verfügung, darunter Eisendisulfat (LiFeS)2), Lithiummangandioxid (LiMnO2), Lithiumthionylchlorid (LiSOCl2) und Lithiummetalloxid (Tabelle 1).
Tabelle 1: Vergleich der Batterietypen (Quelle: Tadiran-Batterien)
Lithiumbatterien werden für industrielle drahtlose Anwendungen aufgrund ihres hohen intrinsischen negativen Potentials bevorzugt, das alle anderen Metalle übertrifft. Als leichtestes nicht gasförmiges Metall bietet Lithium die höchste spezifische Energie (Energie pro Gewichtseinheit) und Energiedichte (Energie pro Volumeneinheit) aller verfügbaren Batteriechemien. Lithiumzellen arbeiten innerhalb eines normalen Betriebsstroms Spannung Bereich von 2.7 bis 3.6 V. Die Chemikalien sind ebenfalls nicht wässrig und frieren daher bei extremen Temperaturen weniger leicht ein.
Spulen-LiSOCl2 Batterien werden vorwiegend für den Langzeiteinsatz in extremen Umgebungen ausgewählt, einschließlich AMR / AMI-Messung, M2M, SCADA, Überwachung des Tankfüllstands, Anlagenverfolgung und Umgebungssensoren, um nur einige zu nennen. LiSOCl vom Spulentyp2 Zellen weisen die höchste Kapazität und Energiedichte aller Chemikalien sowie die niedrigste jährliche Selbstentladungsrate (unter 1% pro Jahr für bestimmte Zellen) auf und ermöglichen eine Batterielebensdauer von bis zu 40 Jahren. Diese Zellen bieten außerdem einen möglichst großen Temperaturbereich (–80 ° C bis 125 ° C) und sind daher ideal für schwer zugängliche Orte und extreme Umgebungen.
Grundlegendes zur Selbstentladung des Akkus
Alle Batterien erfahren eine gewisse Selbstentladung, die auf natürliche Weise auftritt, wenn chemische Reaktionen Energie verbrauchen, selbst wenn die Zelle getrennt oder gelagert wird. Die Selbstentladung wird durch das aktuelle Entladungspotential der Zelle, die Reinheit und Qualität der Rohstoffe sowie den Passivierungseffekt beeinflusst.
Passivierung gibt es nur bei LiSOCl2 Batterien, die einen dünnen Film aus Lithiumchlorid (LiCl) enthalten, der sich auf der Oberfläche der Lithiumanode bildet, um die Reaktivität zu begrenzen. Wenn eine Last auf die Zelle gelegt wird, verursacht die Passivierungsschicht einen anfänglich hohen Widerstand und einen vorübergehenden Spannungsabfall, bis die Entladungsreaktion beginnt, die LiCl-Schicht aufzulösen - ein Vorgang, der sich jedes Mal wiederholt, wenn die Last entfernt wird.
Der Passivierungseffekt hat verschiedene Einflüsse, einschließlich der aktuellen Kapazität, der Lagerdauer, der Lagertemperatur, der Entladungstemperatur und der vorherigen Entladebedingungen. Das Entfernen der Last aus einer teilweise entladenen Zelle erhöht den Passivierungsgrad im Vergleich zu dem Zeitpunkt, als sie neu war. Die Passivierung verlängert die Batterielebensdauer, aber zu viel davon kann den Energiefluss übermäßig einschränken.
Andere Faktoren beeinflussen die Selbstentladung der Batterie, einschließlich des aktuellen Entladungspotentials der Zelle, der Herstellungsmethode und der Qualität der Rohstoffe. Zum Beispiel ein hochwertiges LiSOCl vom Spulentyp2 Die Zelle kann eine Selbstentladungsrate von nur 0.7% pro Jahr aufweisen und nach 70 Jahren 40% ihrer ursprünglichen Kapazität behalten. Im Gegensatz dazu ein LiSOCl vom Spulentyp geringerer Qualität2 Die Zelle kann eine Selbstentladungsrate von bis zu 3% pro Jahr aufweisen, wobei alle 30 Jahre 10% ihrer ursprünglichen Kapazität verloren gehen, was eine Batterielebensdauer von 40 Jahren unmöglich macht.
Anpassung an Hochpulsanwendungen
Eine wachsende Anzahl von drahtlosen Geräten arbeitet hauptsächlich im Standby-Modus, zieht nur minimale Strommengen und benötigt periodisch hohe Impulse, um die drahtlose Zweiwegekommunikation zu betreiben.
Standard-LiSOCl vom Spulentyp2 Batterien können aufgrund ihrer Low-Rate-Konstruktion keine hohen Impulse liefern. Dies kann durch Hinzufügen einer patentierten Hybridschicht umgangen werden Kondensator (HLC).
Das Standard-LiSOCl vom Spulentyp2 Die Zelle liefert einen niedrigen täglichen Hintergrundstrom, während der HLC periodisch hohe Impulse verarbeitet. Der patentierte HLC verfügt außerdem über ein spezielles Spannungsplateau am Ende der Lebensdauer, das so interpretiert werden kann, dass automatische Warnungen bei niedrigem Batteriestatus ausgegeben werden.
Die Akkulaufzeit kann mit einem Rennen verglichen werden
Benötigt Ihre Anwendung Geschwindigkeit (höhere Durchflussrate) oder Entfernung (längere Akkulaufzeit)? Dies ist analog zum Sprinten im Vergleich zum Langstreckenlauf:
- Hochgeschwindigkeitszellen: Fahren Sie mit einer kleinen Anzahl von in Ampere messbaren hohen Impulsen steil bergauf, was zu einer maximalen Batterielebensdauer von bis zu fünf Jahren führt.
- Zellen mit mittlerer Rate: Laufen Sie mit einer kleineren Steigung mit Impulsen, die in Hunderten von Milliampere messbar sind, was zu einer maximalen Batterielebensdauer von bis zu 10 Jahren führt.
- Extra langlebige Zellen: Fahren Sie auf einer fast flachen Strecke mit zahlreichen kleinen Hürden / Impulsen, die in zig Milliampere messbar sind, und schaffen Sie so das Potenzial für eine Batterielebensdauer von 40 Jahren.
- Extra langlebige Zellen mit periodischen Hochfrequenzimpulsen: Fahren Sie auf einer fast flachen Strecke mit einer großen Anzahl größerer Hürden / Impulse, die bis zu zehn Ampere messbar sind, und schaffen Sie so das Potenzial für eine Batterielebensdauer von 40 Jahren.
(Quelle: Tadiran-Batterien)
Andere Faktoren beeinflussen die Wahl einer primären Lithiumbatterie in Industriequalität, einschließlich der im aktiven Modus verbrauchten Strommenge (zusammen mit der Größe, Dauer und Frequenz der Impulse), der im Standby- oder Schlafmodus verbrauchten Energie (Basisstrom). Lagerzeit (normale Selbstentladung während der Lagerung verringert die Kapazität) und erwartete Temperaturen (während der Lagerung und im Feldbetrieb). Zusätzliche Überlegungen umfassen die Abschaltspannung des Geräts (wenn die Batteriekapazität erschöpft ist oder bei extremen Temperaturen die Spannung auf einen Punkt abfallen kann, der für den Betrieb des Sensors zu niedrig ist) und die jährliche Selbstentladungsrate der Batterie (die sich der Menge annähern kann) des aus dem durchschnittlichen täglichen Gebrauch entnommenen Stroms).
Kurzfristige Testergebnisse können keinen Marathon vorhersagen
Die langfristigen Auswirkungen einer höheren Selbstentladungsrate sind möglicherweise jahrelang nicht erkennbar, und theoretische Methoden zur Vorhersage der tatsächlichen Batterielebensdauer zeigen im Allgemeinen die Bedeutung des Passivierungseffekts zusammen mit der langfristigen Exposition gegenüber extremen Temperaturen.
Wenn Ihre Anwendung eine lange Lebensdauer erfordert, müssen Sie potenzielle Lieferanten sorgfältig bewerten, indem Sie vollständig dokumentierte Langzeittestergebnisse sowie Langzeittestdaten vor Ort anfordern, die von vergleichbaren Geräten unter ähnlichen Belastungen und Umgebungsbedingungen stammen. Wenn Sie Ihren Akku und Ihre Anwendungsanforderungen kennen, können Sie die Leistung des Geräts verbessern und die Akkulaufzeit verlängern, um die Betriebskosten zu senken.
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