Устройства, подключенные к IIoT, становятся по-настоящему беспроводными для мониторинга труднодоступных и автономных сред. В приложениях, где требуются решения с батарейным питанием, существует два основных типа промышленных удаленных беспроводных устройств.
Один тип потребляет среднее количество энергии (включая фоновый ток и импульсы), измеряется в микроамперах и обычно питается от первичных (неперезаряжаемых) литиевых батарей промышленного класса. Другой тип приложения потребляет среднее количество энергии (включая фоновый ток и импульсы), измеряется в миллиамперах и обычно питается от устройства сбора энергии в сочетании с литий-ионной (литий-ионной) перезаряжаемой батареей.
Понимание различных первичных (неперезаряжаемых) батарей
Подавляющее большинство удаленных беспроводных устройств питаются от первичных батарей. Доступны многочисленные химические вещества, в том числе дисульфат железа (LiFeS2), диоксид лития-марганца (LiMnO2), тионилхлорид лития (LiSOCl2) и оксид металла лития (Таблица 1).
Таблица 1: Сравнение типов батарей (Источник: Tadiran Batteries)
Литиевые батареи предпочтительны для промышленных беспроводных приложений из-за их высокого внутреннего отрицательного потенциала, который превосходит все другие металлы. Как самый легкий негазообразный металл, литий предлагает самую высокую удельную энергию (энергия на единицу веса) и плотность энергии (энергия на единицу объема) из всех доступных химических составов батарей. Литиевые элементы работают при нормальном рабочем токе напряжение диапазон от 2.7 до 3.6 В. Химические вещества также не являются водными, поэтому вероятность замерзания при экстремальных температурах ниже.
Катушечный тип LiSOCl2 батареи преимущественно выбираются для долгосрочного развертывания в экстремальных условиях, включая измерения AMR / AMI, M2M, SCADA, мониторинг уровня резервуаров, отслеживание активов и датчики окружающей среды, и это лишь некоторые из них. Катушечный тип LiSOCl2 элементы обладают самой высокой емкостью и плотностью энергии среди всех химических элементов, а также самой низкой годовой скоростью саморазряда (менее 1% в год для определенных элементов), что обеспечивает срок службы батареи до 40 лет. Эти ячейки также имеют максимально широкий диапазон температур (от –80 ° C до 125 ° C), что делает их идеальными для труднодоступных мест и экстремальных условий.
Понимание саморазряда батареи
Все батареи испытывают некоторый саморазряд, который происходит естественным образом, поскольку химические реакции истощают энергию, даже когда элемент отключен или находится в хранилище. На саморазряд влияет текущий разрядный потенциал элемента, чистота и качество сырья, а также эффект пассивации.
Пассивация уникальна для LiSOCl2 батареи, содержащие тонкую пленку хлорида лития (LiCl), которая образуется на поверхности литиевого анода для ограничения реакционной способности. Когда на элемент помещается нагрузка, пассивирующий слой вызывает начальное высокое сопротивление и временное падение напряжения до тех пор, пока реакция разряда не начнет рассеивать слой LiCl - процесс, который повторяется каждый раз при снятии нагрузки.
Эффект пассивации имеет несколько влияний, включая текущую емкость, продолжительность хранения, температуру хранения, температуру разряда и предшествующие условия разряда. Снятие нагрузки с частично разряженного элемента увеличивает уровень пассивации по сравнению с тем, когда он был новым. Пассивирование продлевает срок службы батареи, но слишком большое ее количество может чрезмерно ограничить поток энергии.
На саморазряд батареи влияют и другие факторы, в том числе потенциал разряда ячейки по току, метод производства и качество сырья. Например, качественная бобина LiSOCl2 Элемент может иметь скорость саморазряда всего 0.7% в год, сохраняя 70% своей первоначальной емкости через 40 лет. Напротив, более низкокачественный LiSOCl катушечного типа2 Ячейка может испытывать скорость саморазряда до 3% в год, теряя 30% своей начальной емкости каждые 10 лет, что делает невозможным 40-летний срок службы батареи.
Адаптация к приложениям с высоким импульсом
Все большее количество беспроводных устройств в основном работают в «дежурном» режиме, потребляя минимальный ток и требуя периодических высоких импульсов для обеспечения двусторонней беспроводной связи.
Стандартный бобинный LiSOCl2 батареи не могут выдавать высокие импульсы из-за своей низкочастотной конструкции. Эту проблему можно решить, добавив запатентованный гибридный слой. конденсатор (ХЛК).
Стандартный бобинный LiSOCl2 ячейка обеспечивает низкий ежедневный фоновый ток, в то время как HLC обрабатывает периодические высокие импульсы. Запатентованный HLC также имеет специальное плато напряжения в конце срока службы, которое можно интерпретировать как автоматическое оповещение о низком заряде батареи.
Время автономной работы можно сравнить с гонкой
Ваше приложение требует скорости (более высокая скорость потока) или расстояния (увеличенное время автономной работы)? Это аналогично бегу на короткие дистанции по сравнению с бегом на длинные дистанции:
- Высокопроизводительные элементы: бег по крутому склону с небольшим количеством сильных импульсов, измеряемых в амперах, что обеспечивает максимальный срок службы батареи до пяти лет.
- Ячейки средней мощности: работают с меньшим наклоном, с импульсами, измеряемыми в сотнях миллиампер, что обеспечивает максимальный срок службы батареи до 10 лет.
- Ячейки со сверхдлительным сроком службы: работают на почти ровной дорожке с многочисленными небольшими препятствиями / импульсами, измеряемыми десятками миллиампер, что позволяет продлить срок службы батареи до 40 лет.
- Ячейки со сверхдлительным сроком службы с периодическими высокочастотными импульсами: работают по почти плоской дорожке с большим количеством более высоких препятствий / импульсов, измеряемых до десятков ампер, тем самым создавая потенциал для 40-летнего срока службы батареи.
(Источник: Tadiran Batteries)
На выбор первичной литиевой батареи промышленного класса влияют и другие факторы, в том числе количество потребляемого тока в активном режиме (наряду с размером, продолжительностью и частотой импульсов), энергия, потребляемая в режиме ожидания или сна (базовый ток), время хранения (нормальный саморазряд во время хранения снижает емкость) и ожидаемые температуры (во время хранения и эксплуатации в полевых условиях). Дополнительные соображения включают в себя напряжение отключения оборудования (при исчерпании емкости аккумулятора или при экстремальных температурах напряжение может упасть до точки, слишком низкой для работы датчика) и ежегодной скорости саморазряда аккумулятора (которая может приближаться к этой величине). тока, взятого из среднего ежедневного использования).
Краткосрочные результаты тестов не могут предсказать марафон
Долгосрочное влияние более высокой скорости саморазряда может не проявиться в течение многих лет, а теоретические методы прогнозирования фактического срока службы батареи обычно недооценивают важность эффекта пассивации наряду с долгосрочным воздействием экстремальных температур.
Если вашему приложению требуется источник питания с длительным сроком службы, вы должны тщательно оценить потенциальных поставщиков, запросив полностью задокументированные долгосрочные результаты испытаний, а также данные долгосрочных полевых испытаний, полученные от сопоставимых устройств при одинаковых нагрузках и условиях окружающей среды. Знание вашего аккумулятора и требований вашего приложения поможет улучшить производительность устройства и продлить срок службы аккумулятора, что снизит стоимость владения.
о Тадиране