Met IIoT verbonden apparaten worden echt draadloos om moeilijk toegankelijke en off-the-grid-omgevingen te bewaken. In toepassingen waar batterijgevoede oplossingen vereist zijn, zijn er twee hoofdtypen industriële draadloze apparaten op afstand.
Eén type verbruikt een gemiddelde hoeveelheid energie (inclusief achtergrondstroom en pulsen), is meetbaar in microampère en wordt doorgaans gevoed door primaire (niet-oplaadbare) lithiumbatterijen van industriële kwaliteit. Het andere type toepassing verbruikt een gemiddelde hoeveelheid energie (inclusief achtergrondstroom en pulsen), is meetbaar in milliampère en wordt meestal aangedreven door een energieopwekkingsapparaat in combinatie met een lithium-ion (Li-ion) oplaadbare batterij.
Inzicht in de verschillende primaire (niet-oplaadbare) batterijen
De overgrote meerderheid van externe draadloze apparaten wordt gevoed door primaire batterijen. Talrijke chemieën zijn beschikbaar, waaronder ijzerdisulfaat (LiFeS2), lithiummangaandioxide (LiMnO2), lithiumthionylchloride (LiSOCl2) en lithiummetaaloxide (Tabel 1).
Tabel 1: Vergelijking van batterijtypes (Bron: Tadiran Batterijen)
Lithiumbatterijen hebben de voorkeur voor industriële draadloze toepassingen vanwege hun hoge intrinsieke negatieve potentiaal, dat alle andere metalen overtreft. Als het lichtste niet-gasvormige metaal biedt lithium de hoogste specifieke energie (energie per gewichtseenheid) en energiedichtheid (energie per volume-eenheid) van alle beschikbare batterijchemieën. Lithiumcellen werken binnen een normale bedrijfsstroom spanning bereik van 2.7 tot 3.6 V. De chemie is ook niet-waterig, waardoor het minder snel bevriest bij extreme temperaturen.
LiSOCl van het spoeltype2 batterijen worden voornamelijk gekozen voor langdurige inzet in extreme omgevingen, waaronder AMR/AMI-meting, M2M, SCADA, tankniveaubewaking, asset-tracking en omgevingssensoren, om er maar een paar te noemen. LiSOCl van het spoeltype2 cellen hebben de hoogste capaciteit en energiedichtheid van alle chemie, samen met de laagste jaarlijkse zelfontlading (minder dan 1% per jaar voor bepaalde cellen), waardoor de batterij tot 40 jaar meegaat. Deze cellen hebben ook het grootst mogelijke temperatuurbereik (–80˚C tot 125°C), waardoor ze ideaal zijn voor moeilijk bereikbare locaties en extreme omgevingen.
Zelfontlading van de batterij begrijpen
Alle batterijen ervaren een zekere mate van zelfontlading, die van nature optreedt als chemische reacties energie verbruiken, zelfs als de cel is losgekoppeld of opgeslagen. Zelfontlading wordt beïnvloed door het huidige ontladingspotentieel van de cel, de zuiverheid en kwaliteit van de grondstoffen en het passiveringseffect.
Passivering is uniek voor LiSOCl2 batterijen, met een dunne laag lithiumchloride (LiCl) die zich vormt op het oppervlak van de lithiumanode om de reactiviteit te beperken. Wanneer een belasting op de cel wordt geplaatst, veroorzaakt de passiveringslaag aanvankelijk hoge weerstand en een tijdelijke spanningsdaling totdat de ontladingsreactie de LiCl-laag begint te verdrijven - een proces dat zich herhaalt elke keer dat de belasting wordt verwijderd.
Het passiveringseffect heeft verschillende invloeden, waaronder de huidige capaciteit, opslagduur, opslagtemperatuur, ontladingstemperatuur en eerdere ontladingsomstandigheden. Het verwijderen van de belasting van een gedeeltelijk ontladen cel verhoogt het niveau van passivering ten opzichte van toen het nieuw was. Passivering verlengt de levensduur van de batterij, maar te veel ervan kan de energiestroom te veel beperken.
Andere factoren zijn van invloed op de zelfontlading van de batterij, waaronder het huidige ontladingspotentieel van de cel, de fabricagemethode en de kwaliteit van de grondstoffen. Bijvoorbeeld een hoogwaardige LiSOCl van het spoeltype2 cel kan een zelfontlading hebben van slechts 0.7% per jaar en behoudt 70% van zijn oorspronkelijke capaciteit na 40 jaar. Daarentegen een LiSOCl van het spoeltype van mindere kwaliteit2 cel kan een zelfontlading van maximaal 3% per jaar ervaren, waarbij elke 30 jaar 10% van zijn initiële capaciteit verloren gaat, waardoor een batterijlevensduur van 40 jaar onmogelijk wordt.
Aanpassing aan high-pulse toepassingen
Een groeiend aantal draadloze apparaten werkt voornamelijk in de stand-bymodus, verbruikt minimale hoeveelheden stroom en heeft periodiek hoge pulsen nodig om tweerichtings draadloze communicatie mogelijk te maken.
Standaard spoel type LiSOCl2 batterijen kunnen geen hoge pulsen leveren vanwege hun lage snelheidsontwerp. Dit kan worden ondervangen door een gepatenteerde hybridelaag toe te voegen condensator (HLC).
De standaard LiSOCl van het spoeltype2 cel levert een lage dagelijkse achtergrondstroom, terwijl de HLC periodieke hoge pulsen verwerkt. De gepatenteerde HLC beschikt ook over een speciaal spanningsplateau aan het einde van de levensduur dat kan worden geïnterpreteerd als automatische waarschuwingen voor een bijna lege batterij.
De levensduur van de batterij is te vergelijken met een race
Vereist uw toepassing snelheid (hogere stroomsnelheid) of afstand (langere batterijduur)? Dit is analoog aan sprinten versus hardlopen over lange afstanden:
- Hoogwaardige cellen: ren steil bergopwaarts met een klein aantal hoge pulsen, meetbaar in ampère, wat resulteert in een maximale levensduur van de batterij van maximaal vijf jaar.
- Cellen met gemiddelde snelheid: loop met een kleinere helling met pulsen die meetbaar zijn in honderden milliampères, wat resulteert in een maximale levensduur van de batterij van maximaal 10 jaar.
- Cellen met extra lange levensduur: draaien op een bijna vlakke baan met talloze kleine hindernissen/pulsen die meetbaar zijn in tientallen milliampères, waardoor een batterijlevensduur van 40 jaar mogelijk wordt.
- Cellen met een extra lange levensduur met periodieke pulsen met een hoge snelheid: loop op een bijna vlakke baan met een groot aantal hogere hindernissen/pulsen die meetbaar zijn tot tientallen ampères, waardoor een batterijlevensduur van 40 jaar mogelijk wordt.
(Bron: Tadiran Batterijen)
Andere factoren zijn van invloed op de keuze van een primaire lithiumbatterij van industriële kwaliteit, waaronder de hoeveelheid stroom die wordt verbruikt in actieve modus (samen met de grootte, duur en frequentie van pulsen), energie die wordt verbruikt in de stand-by- of slaapmodus (de basisstroom), opslagtijd (normale zelfontlading tijdens opslag vermindert de capaciteit) en verwachte temperaturen (tijdens opslag en gebruik in het veld). Bijkomende overwegingen zijn onder meer de uitschakelspanning van de apparatuur (als de batterijcapaciteit uitgeput is of bij extreme temperaturen kan de spanning dalen tot een punt dat te laag is voor de sensor om te werken), en de jaarlijkse zelfontladingssnelheid van de batterij (die de hoeveelheid kan benaderen van stroom getrokken uit gemiddeld dagelijks gebruik).
Testresultaten op korte termijn kunnen een marathon niet voorspellen
De langetermijnimpact van een hogere zelfontladingssnelheid wordt mogelijk pas jaren duidelijk, en theoretische methoden voor het voorspellen van de werkelijke levensduur van de batterij geven over het algemeen het belang van het passiveringseffect en langdurige blootstelling aan extreme temperaturen onvoldoende weer.
Als uw toepassing energie met een lange levensduur vereist, moet u potentiële leveranciers zorgvuldig evalueren door volledig gedocumenteerde langetermijntestresultaten op te vragen, samen met langdurige veldtestgegevens van vergelijkbare apparaten onder vergelijkbare belasting en omgevingsomstandigheden. Als u uw batterij en uw toepassingsvereisten kent, kunt u de prestaties van het apparaat verbeteren en de levensduur van de batterij verlengen om de eigendomskosten te verlagen.
over Tadiran