Les appareils connectés à l'IIoT deviennent véritablement sans fil pour surveiller les environnements difficiles d'accès et hors réseau. Dans les applications où des solutions alimentées par batterie sont nécessaires, il existe deux principaux types de dispositifs sans fil à distance industriels.
Un type consomme une quantité moyenne d'énergie (y compris le courant de fond et les impulsions), est mesurable en microampères et est généralement alimenté par des piles au lithium primaires (non rechargeables) de qualité industrielle. L'autre type d'application consomme une quantité moyenne d'énergie (y compris le courant de fond et les impulsions), est mesurable en milliampères et est généralement alimenté par un dispositif de récupération d'énergie en combinaison avec une batterie rechargeable au lithium-ion (Li-ion).
Comprendre les différentes batteries primaires (non rechargeables)
La grande majorité des appareils sans fil à distance sont alimentés par des piles primaires. De nombreux produits chimiques sont disponibles, y compris le disulfate de fer (LiFeS2), dioxyde de lithium et de manganèse (LiMnO2), chlorure de lithium thionyle (LiSOCl2) et oxyde de lithium métallique (Tableau 1).
Tableau 1: Comparaison des types de batteries (Source: Batteries Tadiran)
Les batteries au lithium sont préférées pour les applications sans fil industrielles en raison de leur potentiel négatif intrinsèque élevé, qui dépasse tous les autres métaux. En tant que métal non gazeux le plus léger, le lithium offre l'énergie spécifique (énergie par unité de poids) et la densité d'énergie (énergie par unité de volume) les plus élevées de toutes les chimies de batterie disponibles. Les cellules au lithium fonctionnent dans un courant de fonctionnement normal Tension gamme de 2.7 à 3.6 V. Les produits chimiques sont également non aqueux, donc moins susceptibles de geler à des températures extrêmes.
LiSOCl de type canette2 Les batteries sont principalement choisies pour les déploiements à long terme dans des environnements extrêmes, y compris le comptage AMR / AMI, M2M, SCADA, la surveillance du niveau du réservoir, le suivi des actifs et les capteurs environnementaux, pour n'en nommer que quelques-uns. LiSOCl de type canette2 Les cellules présentent la capacité et la densité d'énergie les plus élevées de tous les produits chimiques, ainsi que le taux d'autodécharge annuel le plus bas (moins de 1% par an pour certaines cellules), permettant une autonomie de batterie allant jusqu'à 40 ans. Ces cellules présentent également la plage de températures la plus large possible (–80 ° C à 125 ° C), ce qui les rend idéales pour les endroits difficiles d'accès et les environnements extrêmes.
Comprendre l'autodécharge de la batterie
Toutes les batteries subissent une certaine autodécharge, qui se produit naturellement lorsque les réactions chimiques sèchent l'énergie même lorsque la cellule est déconnectée ou en cours de stockage. L'autodécharge est influencée par le potentiel de décharge actuel de la cellule, la pureté et la qualité des matières premières et l'effet de passivation.
La passivation est unique à LiSOCl2 batteries, impliquant une fine couche de chlorure de lithium (LiCl) qui se forme à la surface de l'anode au lithium pour limiter la réactivité. Lorsqu'une charge est placée sur la cellule, la couche de passivation provoque une résistance initiale élevée et une baisse temporaire de tension jusqu'à ce que la réaction de décharge commence à dissiper la couche de LiCl - un processus qui se répète à chaque fois que la charge est supprimée.
L'effet de passivation a plusieurs influences, notamment la capacité de courant, la durée de stockage, la température de stockage, la température de décharge et les conditions de décharge antérieures. Le retrait de la charge d'une cellule partiellement déchargée augmente le niveau de passivation par rapport au moment où elle était neuve. La passivation prolonge la durée de vie de la batterie, mais une trop grande partie peut limiter excessivement le flux d'énergie.
D'autres facteurs influencent l'autodécharge de la batterie, notamment le potentiel de décharge actuel de la cellule, la méthode de fabrication et la qualité des matières premières. Par exemple, un LiSOCl de type bobine de haute qualité2 La cellule peut présenter un taux d'autodécharge aussi bas que 0.7% par an, conservant 70% de sa capacité d'origine après 40 ans. En revanche, un LiSOCl de type bobine de qualité inférieure2 La cellule peut connaître un taux d'autodécharge allant jusqu'à 3% par an, perdant 30% de sa capacité initiale tous les 10 ans, rendant la durée de vie de la batterie de 40 ans impossible.
Adaptation aux applications à impulsions élevées
Un nombre croissant d'appareils sans fil fonctionnent principalement en mode «veille», consommant des quantités minimales de courant et nécessitant des impulsions élevées périodiques pour alimenter les communications sans fil bidirectionnelles.
LiSOCl de type bobine standard2 les batteries ne peuvent pas fournir d'impulsions élevées en raison de leur conception à faible débit. Ceci peut être surmonté en ajoutant une couche hybride brevetée condensateur (HLC).
Le LiSOCl de type bobine standard2 La cellule fournit un faible courant de fond quotidien, tandis que le HLC gère des impulsions élevées périodiques. Le HLC breveté dispose également d'un plateau de tension de fin de vie spécial qui peut être interprété pour fournir des alertes automatiques d'état de batterie faible.
La durée de vie de la batterie peut être comparée à une course
Votre application nécessite-t-elle une vitesse (débit plus élevé) ou une distance (autonomie prolongée de la batterie)? Ceci est analogue au sprint par rapport à la course longue distance:
- Cellules à haut débit: fonctionnent en montée abrupte avec un petit nombre d'impulsions élevées mesurables en ampères, ce qui se traduit par une durée de vie maximale de la batterie jusqu'à cinq ans.
- Cellules à débit moyen: fonctionnent avec une pente plus petite avec des impulsions mesurables en centaines de milliampères, ce qui permet une autonomie maximale de la batterie jusqu'à 10 ans.
- Cellules à très longue durée de vie: elles fonctionnent sur une piste presque plate avec de nombreux petits obstacles / impulsions mesurables en dizaines de milliampères, créant ainsi un potentiel d'autonomie de 40 ans.
- Cellules à très longue durée de vie avec impulsions périodiques à fréquence élevée: elles fonctionnent sur une piste presque plate avec un grand nombre d'obstacles / impulsions plus hauts mesurables jusqu'à des dizaines d'ampères, créant ainsi un potentiel d'autonomie de 40 ans.
(Source: Batteries Tadiran)
D'autres facteurs influencent le choix d'une batterie au lithium primaire de qualité industrielle, notamment la quantité de courant consommé en mode actif (ainsi que la taille, la durée et la fréquence des impulsions), l'énergie consommée en mode veille ou veille (le courant de base), la durée de stockage (l'autodécharge normale pendant le stockage diminue la capacité) et les températures attendues (pendant le stockage et le fonctionnement sur le terrain). Des considérations supplémentaires incluent la tension de coupure de l'équipement (lorsque la capacité de la batterie est épuisée, ou à des températures extrêmes, la tension peut chuter à un point trop bas pour que le capteur fonctionne), et le taux d'autodécharge annuel de la batterie (qui peut approcher la quantité de courant tiré de l'utilisation quotidienne moyenne).
Les résultats des tests à court terme ne peuvent pas prédire un marathon
L'impact à long terme d'un taux d'auto-décharge plus élevé peut ne pas devenir apparent pendant des années, et les méthodes théoriques de prédiction de la durée de vie réelle de la batterie sous-représentent généralement l'importance de l'effet de passivation avec une exposition à long terme à des températures extrêmes.
Si votre application nécessite une alimentation longue durée, vous devez évaluer soigneusement les fournisseurs potentiels en demandant des résultats de test à long terme entièrement documentés ainsi que des données de test sur le terrain à long terme prélevées sur des appareils comparables dans des charges et des conditions environnementales similaires. Connaître votre batterie et les exigences de votre application aidera à améliorer les performances de l'appareil et à prolonger la durée de vie de la batterie pour réduire le coût de possession.
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