I dispositivi con connessione IIoT stanno diventando veramente wireless per monitorare ambienti di difficile accesso e fuori rete. Nelle applicazioni in cui sono richieste soluzioni alimentate a batteria, esistono due tipi principali di dispositivi wireless remoti industriali.
Un tipo assorbe una quantità media di energia (inclusa la corrente di fondo e gli impulsi), è misurabile in microampere ed è tipicamente alimentato da batterie al litio primarie (non ricaricabili) di livello industriale. L'altro tipo di applicazione assorbe una quantità media di energia (compresa la corrente di fondo e gli impulsi), è misurabile in milliampere ed è tipicamente alimentata da un dispositivo di raccolta di energia in combinazione con una batteria ricaricabile agli ioni di litio (Li-ion).
Comprensione delle varie batterie primarie (non ricaricabili)
La stragrande maggioranza dei dispositivi wireless remoti è alimentata da batterie primarie. Sono disponibili numerose sostanze chimiche, incluso il disolfato di ferro (LiFeS2), biossido di litio e manganese (LiMnO2), litio cloruro di tionile (LiSOCl2) e ossido di litio metallico (Tabella 1).
Tabella 1: Confronto dei tipi di batterie (Fonte: batterie Tadiran)
Le batterie al litio sono preferite per le applicazioni wireless industriali a causa del loro elevato potenziale negativo intrinseco, che supera tutti gli altri metalli. Essendo il metallo non gassoso più leggero, il litio offre l'energia specifica (energia per unità di peso) e la densità di energia (energia per unità di volume) più elevate di tutte le sostanze chimiche disponibili per le batterie. Le celle al litio funzionano con una normale corrente di funzionamento voltaggio intervallo compreso tra 2.7 e 3.6 V. Anche le sostanze chimiche non sono acquose, quindi è meno probabile che si congelino a temperature estreme.
Tipo a bobina LiSOCl2 le batterie sono prevalentemente scelte per installazioni a lungo termine in ambienti estremi, tra cui misurazione AMR / AMI, M2M, SCADA, monitoraggio del livello del serbatoio, tracciamento delle risorse e sensori ambientali, solo per citarne alcuni. Tipo a bobina LiSOCl2 le celle presentano la più alta capacità e densità di energia di qualsiasi chimica, insieme al più basso tasso di autoscarica annuale (inferiore all'1% all'anno per alcune celle), consentendo una durata della batteria fino a 40 anni. Queste celle presentano anche il più ampio intervallo di temperatura possibile (da –80 ° C a 125 ° C), che le rende ideali per luoghi di difficile accesso e ambienti estremi.
Comprensione dell'autoscarica della batteria
Tutte le batterie subiscono una certa quantità di autoscarica, che si verifica naturalmente quando le reazioni chimiche assorbono energia anche mentre la cella è scollegata o in immagazzinamento. L'autoscarica è influenzata dal potenziale di scarica corrente della cella, dalla purezza e qualità delle materie prime e dall'effetto di passivazione.
La passivazione è unica per LiSOCl2 batterie, che coinvolgono una sottile pellicola di cloruro di litio (LiCl) che si forma sulla superficie dell'anodo di litio per limitare la reattività. Quando un carico viene posizionato sulla cella, lo strato di passivazione provoca un'elevata resistenza iniziale e un temporaneo calo di tensione fino a quando la reazione di scarica inizia a dissipare lo strato di LiCl, un processo che si ripete ogni volta che il carico viene rimosso.
L'effetto di passivazione ha diverse influenze, tra cui capacità di corrente, durata di conservazione, temperatura di conservazione, temperatura di scarico e condizioni di scarica precedenti. La rimozione del carico da una cella parzialmente scarica aumenta il livello di passivazione rispetto a quando era nuova. La passivazione prolunga la durata della batteria, ma una quantità eccessiva può limitare eccessivamente il flusso di energia.
Altri fattori influenzano l'autoscarica della batteria, compreso il potenziale di scarica corrente della cella, il metodo di produzione e la qualità delle materie prime. Ad esempio, un LiSOCl del tipo a bobina di alta qualità2 cella può presentare un tasso di autoscarica fino allo 0.7% all'anno, mantenendo il 70% della sua capacità originale dopo 40 anni. Al contrario, un LiSOCl di tipo bobina di qualità inferiore2 cella può sperimentare un tasso di autoscarica fino al 3% all'anno, perdendo il 30% della sua capacità iniziale ogni 10 anni, rendendo impossibile la durata della batteria di 40 anni.
Adattarsi alle applicazioni ad alto impulso
Un numero crescente di dispositivi wireless opera principalmente in modalità "standby", assorbendo quantità minime di corrente e richiedendo impulsi periodici elevati per alimentare le comunicazioni wireless bidirezionali.
LiSOCl tipo bobina standard2 le batterie non possono fornire impulsi elevati a causa della loro progettazione a bassa velocità. Questo può essere superato aggiungendo uno strato ibrido brevettato condensatore (HLC).
Il LiSOCl a bobina standard2 cella eroga una corrente di fondo giornaliera bassa, mentre l'HLC gestisce impulsi alti periodici. L'HLC brevettato presenta anche uno speciale plateau di tensione di fine vita che può essere interpretato per fornire avvisi automatici sullo stato di batteria scarica.
La durata della batteria può essere paragonata a una gara
La tua applicazione richiede velocità (maggiore portata) o distanza (maggiore durata della batteria)? Questo è analogo allo sprint rispetto alla corsa a lunga distanza:
- Celle ad alta velocità: corri in ripida salita con un piccolo numero di impulsi alti misurabili in ampere, con una durata massima della batteria fino a cinque anni.
- Celle a velocità media: funzionano con una pendenza minore con impulsi misurabili in centinaia di milliampere, con una durata massima della batteria fino a 10 anni.
- Celle di durata extra: correre su una pista quasi piatta con numerosi piccoli ostacoli / impulsi misurabili in decine di milliampere, creando così il potenziale per una durata della batteria di 40 anni.
- Celle di durata extra con impulsi periodici ad alta frequenza: correre su una pista quasi piatta con un gran numero di ostacoli / impulsi più alti misurabili fino a decine di ampere, creando così il potenziale per una durata della batteria di 40 anni.
(Fonte: batterie Tadiran)
Altri fattori influenzano la scelta di una batteria al litio primaria di livello industriale, inclusa la quantità di corrente consumata in modalità attiva (insieme alle dimensioni, la durata e la frequenza degli impulsi), l'energia consumata in modalità standby o sleep (la corrente di base), tempo di conservazione (la normale autoscarica durante la conservazione diminuisce la capacità) e le temperature previste (durante la conservazione e il funzionamento sul campo). Ulteriori considerazioni includono la tensione di interruzione dell'apparecchiatura (poiché la capacità della batteria è esaurita o, a temperature estreme, la tensione può scendere a un punto troppo basso per il funzionamento del sensore) e il tasso di autoscarica annuale della batteria (che può avvicinarsi alla quantità di corrente assorbita dall'utilizzo medio giornaliero).
I risultati dei test a breve termine non possono prevedere una maratona
L'impatto a lungo termine di un tasso di autoscarica più elevato potrebbe non diventare evidente per anni e i metodi teorici per prevedere la durata effettiva della batteria in genere sottorappresentano l'importanza dell'effetto di passivazione insieme all'esposizione a lungo termine a temperature estreme.
Se la tua applicazione richiede potenza di lunga durata, devi valutare attentamente i potenziali fornitori richiedendo risultati di test a lungo termine completamente documentati insieme a dati di test sul campo a lungo termine presi da dispositivi comparabili con carichi e condizioni ambientali simili. Conoscere la batteria e i requisiti dell'applicazione consentirà di migliorare le prestazioni del dispositivo e prolungare la durata della batteria per ridurre il costo di proprietà.
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