5 kryteriów doboru baterii w aplikacji IoT

Jeśli Twoja aplikacja IoT wymaga podłączenia tysięcy, a może nawet milionów urządzeń, które muszą działać przez pięć, dziesięć czy dwadzieścia lat bez interwencji lub konserwacji, wybór odpowiedniej baterii ma kluczowe znaczenie. Musisz mieć pewność, że po zainstalowaniu i uruchomieniu bateria zapewni wymaganą energię przez cały planowany okres użytkowania aplikacji. Potrzebujesz baterii, którą po pierwsze zmieścisz w obudowie, a po drugie zapomnisz o jej istnieniu a ona i tak spełni swoje zadanie.

Oto 5 pytań, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniej baterii do urządzenia IoT:

1. Jaki jest profil zużycia energii Twojego urządzenia IoT?

Ilość przesyłanych danych, odległość transmisji i rodzaj używane sieci mają wpływ na zużycie energii przez urządzenie IoT. Na przykład zużycie energii na jedną transmisję dziennie w rozległej sieci dalekiego zasięgu (LoRaWAN) wynosi zwykle około 130 mAh rocznie, która to pojemność może być dostarczona przez ogniwo o rozmiarze AA lub A przez 10 lat. Wąskopasmowy IoT (NB-IoT) zużywa więcej, bo około 250 do 300 mAh rocznie, a w przypadku sieci komórkowej 2G/3G GSM zużycie może przekroczyć 4000 mAh rocznie, co aby urządzenie działało 10 lat wymagałoby złożonego rozwiązania o rozmiarze multi-D.

Wraz ze wzrostem ilości gromadzonych i przetwarzanych danych, rośnie również wykorzystanie sieci komórkowych 4G i 5G, które poprawiają zużycie energii przez urządzenia.

2. Jaki jest przewidywany czas życia bez konserwacji urządzenia IoT?

Przewidywany okres eksploatacji jest kluczowym elementem kalkulacji opłacalności biznesowej  IoT, ponieważ koszt baterii i jej ewentualna wymiana często stanowią najbardziej znaczące koszty urządzenia IoT. Dlatego długowieczność baterii jest kluczem do optymalizacji całkowitego kosztu posiadania (TCO). Jest to z kolei bezpośrednio związane z poziomem i czasem trwania obciążenia baterii przez aplikację, a zatem jest specyficzne dla danego projektu. Celem jest jak najściślejsze dopasowanie mocy wymaganej przez aplikację i pojemności baterii, przy jednoczesnym uwzględnieniu różnych czynników wpływających na żywotność baterii.

3. Które baterie dłużej, jednorazowe (pierwotne) czy akumulatory (wtórne)?

Większość ludzi uważa, że ​​akumulatory działają dłużej, ponieważ można je wielokrotnie ładować, rozładowywać i ładować. Wszystko jednak zależy od rodzaju aplikacji i lokalizacji urządzenia. W wielu zastosowaniach przemysłowych koszt (a także złożoność) ładowania lub wymiany baterii oznacza, że ​​baterie jednorazowego użytku wytrzymują najdłużej i są najbardziej opłacalne.

Na przykład w przypadku inteligentnego opomiarowania przedsiębiorstwo wodociągowe lub energetyczne może mieć miliony liczników regularnie przesyłających dane. Często zlokalizowane są w trudno dostępnych miejscach, bez podłączenia do sieci elektrycznej ze względów bezpieczeństwa i bez alternatywnego źródła energii i wówczas jedynym rozwiązaniem są baterie jednorazowe. Firmy użyteczności publicznej muszą mieć pewność, że po zainstalowaniu bateria pozwoli licznikom działać zgodnie z projektem, bez konserwacji lub interwencji przez okres do 25 lat. Żywotność baterii ma kluczowe znaczenie dla ukształtowanego w tej branży modelu biznesowego, ponieważ koszt ich wymiany byłby zbyt wysoki. W tym przypadku jednorazowe akumulatory litowo-chlorkowo-tionylowe Saft (Li-SOCl2) oferują wysokie napięcie nominalne (3,6 V) i wysoką gęstość energii na cały okres ich eksploatacji.

Ważnym czynnikiem przy rozważaniu baterii pierwotnych i wtórnych jest również koszt. Akumulatory litowo-jonowe mają więcej komponentów i są droższe w produkcji, ale po podłączeniu do tanich odnawialnych źródeł energii, takich jak fotowoltaiczne panele słoneczne, całkowity koszt posiadania staje się bardziej atrakcyjny. Odnawialne akumulatory litowo-jonowe Saft charakteryzują się bardzo długą żywotnością i dużą liczbą cykli (do 2.800 razy przy utracie pojemności maksymalnie o 30%), wymagając niewielkiej konserwacji nawet w trudnych warunkach. Oferując wysokie napięcie nominalne i pojemność, mogą być ładowane i rozładowywane w szerokim zakresie temperatur, nawet w niskich temperaturach, co czyni je idealnymi do stosowania w warunkach zewnętrznych.

4. Konstrukcja ogniwa typu 'szpulka' lub 'spiralna' - jakie to ma znaczenie dla baterii jednorazowych?

Rozważając różnicę między konstrukcją szpulki a spiralną, ważne jest zrozumienie różnicy między energią a mocą. Baterie przechowują energię a im więcej energii jest magazynowane, tym mówimy o większej pojemności, co oznacza, że przez cały okres eksploatacji baterii można wykonać więcej pracy. Z drugiej strony moc to prędkość, z jaką można wykorzystać zmagazynowaną energię. Jako analogię rozważ różnicę między maratonem a sprintem: szybki bieg wymaga większej mocy.

Ogniwa szpulkowe (ang. bobbin) (mające wysoką energię) są zaprojektowane specjalnie do długoterminowych zastosowań, trwających od 5 do ponad 20 lat. Ich konstrukcja została zaprojektowana tak, aby zmaksymalizować ilość materiałów bazowych zawartych w obudowie w celu wygenerowania maksymalnej energii. Ogniwa te są szczególnie dobrze przystosowane do zastosowań o małej mocy, działających na szerokim obszarze (low power wide area, LPWA), wymagających bardzo małych ciągłych prądów, lub ewentualnie umiarkowanie silnych prądów impulsowych (zwykle w zakresie 5-150 mA), takich jak urządzenia pomiarowe lub czujniki parkowania. Ich zdolność do wytrzymywania szerokich wahań ciśnienia, temperatury (od -60°C do + 150°C) i trudnych warunków mechanicznych sprawia, że ​​są idealne do stosowania w odległych lokalizacjach i ekstremalnych środowiskach.

Ogniwa spiralne (wysoka moc) są przeznaczone do zastosowań wymagających ciągłych prądów i bardzo wysokich impulsów (zwykle w zakresie 50 mA-2A). Konstrukcja spiralna oznacza, że ​​powierzchnia wymiany pomiędzy materiałami bazowymi jest zmaksymalizowana w celu zwiększenia mocy. Odbywa się to kosztem zmniejszonej gęstości energii i krótszej żywotność (od 2 do 10+ lat). Niektóre z nich mogą działać w bardzo wysokich temperaturach, na przykład w przemyśle naftowym.

© SAFT

Aby zmaksymalizować energię i moc, opracowano szereg rozwiązań hybrydowych, które łączą ogniwo szpulkowe, zintegrowane równolegle z kondensatorem litowo-jonowym, który działa jako element wspierający impuls. Są one specjalnie zaprojektowane do zastosowań wymagających stabilności działania i wysokiej wydajności impulsów, w szerokim zakresie temperatur i o żywotności ponad 10 lat.

5. Jak temperatura wpływa na wybór baterii?

Temperatura jest głównym czynnikiem wpływającym na zużycie energii przez akumulator. I chociaż akumulatory litowo-chlorkowo-tionylowe (Li-SOCl2) zapewniają najszerszy zakres temperatur pracy, od -60°C do +150°C, nie oznacza to, że wydajność baterii pozostaje taka sama w całym tym zakresie. W wysokiej temperaturze reakcje chemiczne ogniwa są silniejsze, rezystancja wewnętrzna jest mniejsza, co zwiększa zdolność baterii do dostarczania dużej energii. Powoduje to szybsze rozładowanie i odpowiednią utratę żywotności baterii.

W niskiej temperaturze reakcje chemiczne są mniej wydajne, wzrasta wewnętrzna rezystancja ogniwa i nie będzie ono w stanie dostarczyć takiej samej mocy. Może dostarczać prąd, ale przy niższym poziomie napięcia, co skutkuje niższą wydajnością elektroniki, a tym samym wyższym zużyciem. Ponadto układy z katodą ciekłą, takie jak Li-SOCl2 podlegają zjawisku pasywacji. Przy wahaniach temperatury w trakcie pracy w szczególnych przypadkach to zjawisko może prowadzić do zakończenia pracy urządzenia przed faktycznym wykorzystaniem całej energii dostępnej w baterii.

Model Saft LSH został specjalnie zaprojektowany do pracy w ekstremalnych warunkach, w temperaturach sięgających +150°C, występujących na przykład w przemyśle naftowym.

Baterie litowo-manganowe (Li-MnO2) zapewniają dużą moc i wysoką energię bez niebezpieczeństwa pasywacji. Przy napięciu znamionowym 3,0 V, seria LM/M firmy Saft zapewnia właściwy kompromis między energią a mocą w zastosowaniach umożliwiających napięcie odcięcia poniżej 2,5 V. Duża powierzchnia ich spiralnych elektrod zapewnia zdolność generowania impulsu prądowego w optymalnej temperaturach pracy od -40°C do +85°C, dzięki czemu nadają się do inteligentnych urządzeń pomiarowych wymagających wysokich impulsów, ale także czujników parkowania czy inteligentnych aplikacji rolniczych.

Podsumowanie

Tak więc podsumowując: baterie są idealnym rozwiązaniem typu ‘zamontuj i zapomnij’ w zastosowaniach IoT, ale nie ma rozwiązania uniwersalnego. Istnieje wiele parametrów, które należy wziąć pod uwagę na etapie projektowania urządzenia IoT. Żywotność, zapotrzebowanie na energię i temperatura pracy to najważniejsze czynniki, które należy rozważyć, aby idealnie dobrać baterie.

Źródło: '5 key questions to ensure you can “fit-and-forget” your IoT battery solution' © SAFT