Os dispositivos conectados à IIoT estão se tornando verdadeiramente sem fio para monitorar ambientes de difícil acesso e fora da rede. Em aplicações onde são necessárias soluções alimentadas por bateria, existem dois tipos principais de dispositivos industriais remotos sem fio.
Um tipo extrai uma quantidade média de energia (incluindo corrente de fundo e pulsos), é mensurável em microampères e normalmente é alimentado por baterias de lítio primárias de nível industrial (não recarregáveis). O outro tipo de aplicação consome uma quantidade média de energia (incluindo corrente e pulsos de fundo), é mensurável em miliamperes e normalmente é alimentado por um dispositivo de coleta de energia em combinação com uma bateria recarregável de íon de lítio (íon de lítio).
Compreender as várias baterias primárias (não recarregáveis)
A grande maioria dos dispositivos remotos sem fio são alimentados por baterias primárias. Numerosos produtos químicos estão disponíveis, incluindo dissulfato de ferro (LiFeS2), dióxido de manganês de lítio (LiMnO2), cloreto de tionil de lítio (LiSOCl2), e óxido de metal de lítio (tabela 1).
Tabela 1: Comparação de tipos de bateria (Fonte: Baterias Tadiran)
As baterias de lítio são preferidas para aplicações sem fio industriais devido ao seu alto potencial negativo intrínseco, que excede todos os outros metais. Como o metal não gasoso mais leve, o lítio oferece a maior energia específica (energia por unidade de peso) e densidade de energia (energia por unidade de volume) de todas as químicas de bateria disponíveis. As células de lítio operam dentro de uma corrente operacional normal Voltagem faixa de 2.7 a 3.6 V. Os produtos químicos também não são aquosos, portanto, menos propensos a congelar em temperaturas extremas.
LiSOCl tipo bobina2 as baterias são predominantemente escolhidas para implantações de longo prazo em ambientes extremos, incluindo medição AMR / AMI, M2M, SCADA, monitoramento de nível de tanque, rastreamento de ativos e sensores ambientais, para citar alguns. LiSOCl tipo bobina2 as células apresentam a maior capacidade e densidade de energia de qualquer produto químico, junto com a menor taxa de autodescarga anual (menos de 1% ao ano para certas células), permitindo a vida útil da bateria de até 40 anos. Essas células também apresentam a faixa de temperatura mais ampla possível (–80˚C a 125 ° C), tornando-as ideais para locais de difícil acesso e ambientes extremos.
Compreendendo a autodescarga da bateria
Todas as baterias experimentam alguma quantidade de autodescarga, que ocorre naturalmente conforme as reações químicas sugam energia, mesmo quando a célula está desconectada ou armazenada. A autodescarga é influenciada pelo potencial de descarga atual da célula, pela pureza e qualidade das matérias-primas e pelo efeito de passivação.
A passivação é exclusiva do LiSOCl2 baterias, envolvendo uma fina película de cloreto de lítio (LiCl) que se forma na superfície do ânodo de lítio para limitar a reatividade. Quando uma carga é colocada na célula, a camada de passivação causa alta resistência inicial e uma queda temporária na tensão até que a reação de descarga comece a dissipar a camada de LiCl - um processo que se repete cada vez que a carga é removida.
O efeito de passivação tem várias influências, incluindo capacidade de corrente, tempo de armazenamento, temperatura de armazenamento, temperatura de descarga e condições de descarga anteriores. Remover a carga de uma célula parcialmente descarregada aumenta o nível de passivação em relação a quando era nova. A passivação estende a vida da bateria, mas muito disso pode restringir excessivamente o fluxo de energia.
Outros fatores influenciam a autodescarga da bateria, incluindo o potencial de descarga atual da célula, o método de fabricação e a qualidade das matérias-primas. Por exemplo, um LiSOCl do tipo bobina de alta qualidade2 a célula pode apresentar uma taxa de autodescarga tão baixa quanto 0.7% ao ano, retendo 70% de sua capacidade original após 40 anos. Em contraste, um LiSOCl do tipo bobina de qualidade inferior2 a célula pode experimentar uma taxa de autodescarga de até 3% ao ano, perdendo 30% de sua capacidade inicial a cada 10 anos, tornando a vida útil da bateria de 40 anos impossível.
Adaptando-se a aplicações de alto pulso
Um número crescente de dispositivos sem fio opera principalmente no modo “standby”, consumindo quantidades mínimas de corrente e exigindo altos pulsos periódicos para alimentar as comunicações sem fio bidirecionais.
LiSOCl tipo bobina padrão2 as baterias não podem fornecer pulsos altos devido ao seu design de baixa taxa. Isto pode ser superado adicionando uma camada híbrida patenteada capacitor (HLC).
O LiSOCl tipo bobina padrão2 a célula fornece baixa corrente de fundo diária, enquanto o HLC lida com altos pulsos periódicos. O HLC patenteado também apresenta um platô de tensão especial de fim de vida que pode ser interpretado para fornecer alertas automáticos de status de bateria fraca.
A vida da bateria pode ser comparada a uma corrida
A sua aplicação requer velocidade (taxa de fluxo mais alta) ou distância (vida útil prolongada da bateria)? Isso é análogo a corrida de velocidade versus corrida de longa distância:
- Células de alta taxa: funcionam em declives acentuados com um pequeno número de pulsos altos mensuráveis em amperes, resultando em uma vida útil máxima da bateria de até cinco anos.
- Células de taxa média: funcionam com uma inclinação menor com pulsos mensuráveis em centenas de miliamperes, resultando em uma vida útil máxima da bateria de até 10 anos.
- Células de vida extralonga: funcionam em uma trilha quase plana com vários pequenos obstáculos / pulsos mensuráveis em dezenas de miliamperes, criando assim o potencial para uma bateria de 40 anos.
- Células de vida extra longa com pulsos periódicos de alta taxa: funcionam em uma trilha quase plana com um grande número de obstáculos / pulsos mais altos mensuráveis até dezenas de amperes, criando assim o potencial para uma bateria de 40 anos.
(Fonte: Baterias Tadiran)
Outros fatores influenciam a escolha de uma bateria de lítio primária de nível industrial, incluindo a quantidade de corrente consumida no modo ativo (junto com o tamanho, duração e frequência dos pulsos), energia consumida no modo de espera ou hibernação (a corrente de base), tempo de armazenamento (a descarga automática normal durante o armazenamento diminui a capacidade) e as temperaturas esperadas (durante o armazenamento e operação em campo). Considerações adicionais incluem a tensão de corte do equipamento (conforme a capacidade da bateria se esgota, ou em temperaturas extremas, a tensão pode cair a um ponto muito baixo para o sensor operar) e a taxa anual de autodescarga da bateria (que pode se aproximar da quantidade da corrente retirada do uso diário médio).
Os resultados dos testes de curto prazo não podem prever uma maratona
O impacto de longo prazo de uma taxa de autodescarga mais alta pode não se tornar aparente por anos, e os métodos teóricos para prever a vida útil real da bateria geralmente subrepresentam a importância do efeito de passivação junto com a exposição de longo prazo a temperaturas extremas.
Se sua aplicação exige energia de longa duração, você deve avaliar cuidadosamente os fornecedores em potencial, solicitando resultados de teste de longo prazo totalmente documentados, juntamente com dados de teste de longo prazo em campo obtidos de dispositivos comparáveis sob cargas e condições ambientais semelhantes. Conhecer a bateria e os requisitos do aplicativo ajudará a melhorar o desempenho do dispositivo e estender a vida útil da bateria para reduzir o custo de propriedade.
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