Chemia baterii dla żywotności urządzeń IoT

Oryginalny artykuł można znaleźć na LinkedIn

Niestety nie ma jednego cudownego rozwiązania. Trzeba przeanalizować wiele czynników - wymóg możliwości ładowania, oczekiwaną żywotność baterii, wymagany zakres temperatur pracy, ograniczenia wymiarowe, zdolność dostarczania prądu impulsowego itd.

Istnieją też ścisłe przepisy dotyczące transportu baterii litowych (dokument IATA Lithium Battery Guidance Document to doskonały punkt wyjścia, jeśli musisz przewozić takie baterie drogą lotniczą).

Musisz zdecydować, jak dostarczyć wybrane baterie do klienta. Czy na przykład będą fabrycznie zainstalowane w urządzeniach, czy też mają je wkładać sami klienci? Jeśli nie wysyłasz baterii wraz z urządzeniami, jaka jest ich dostępność w danej lokalizacji?

Oprócz wyjaśnienia wszystkich tych kwestii musisz znać szacowane zużycie energii swojego przyszłego produktu. Jak się domyślasz, może to być problem typu kura-jajko i będziesz musiał ponownie przemyśleć swoją decyzję na późniejszym etapie projektowania. Twój szacunek niekoniecznie musiał być błędny, ale wymagania aplikacji się zmieniły i jesteś zmuszony zaczynać od nowa.

W HARDWARIO wykonaliśmy wiele niskoenergetycznych projektów i wiemy, że dla naszego konfigurowalnego gateway IoT CHESTER nie było zbyt wielu opcji. Ponieważ urządzenie często pracuje w warunkach zewnętrznych, tylko nieliczne warianty chemiczne spełniają kryteria szerokiego zakresu temperatur pracy. Witamy przy chlorku tionylu litu (czyli LiSoCl2) - pierwotnym ogniwie litowym o napięciu nominalnym 3,6 wolta.

Ta chemia LiSoCl2 ma kilka kluczowych cech - oprócz zakresu temperatur pracy od -60 do +85 stopni Celsjusza zapewnia najwyższą gęstość energii ze wszystkich baterii litowych. Jest również bardzo dobrze znana z wyjątkowo niskiego stopnia samorozładowania (tzn. ile pojemności straci podczas przechowywania w czasie).

Z drugiej strony trzeba poradzić sobie z niektórymi wymagającymi aspektami baterii LiSoCl2. Jednym z nich jest stosunkowo wysoka rezystancja wewnętrzna. Choć kilka omów może nie stanowić problemu dla wielu urządzeń, z pewnością będzie nim dla tych z komórkową łącznością IoT. W CHESTER używamy nRF9160 od Nordic Semiconductor (obsługa zarówno NB-IoT, jak i LTE-M). Pomimo jego wiodących parametrów zużycia energii nadal musisz zapewnić zdolność prądową co najmniej 500 mA.

Jeśli zaczniesz pobierać jakikolwiek prąd, napięcie baterii spadnie proporcjonalnie do prądu i jej rezystancji wewnętrznej. Jako projektant hardware musisz zapewnić swoim obwodom minimalne napięcie pracy, aby zagwarantować właściwe funkcjonowanie urządzenia. Spadek napięcia podczas transmisji NB-IoT lub LTE-M może być na tyle duży, że spowoduje reset mikrokontrolera. Albo doprowadzi do wyrejestrowania modułu łączności komórkowej z sieci operatora.

W CHESTER radzimy sobie z tym za pomocą superkondensatorów. Podczas gdy pierwotne ogniwo baterii zapewnia objętościową rezerwę energii, superkondensatory pokrywają zapotrzebowanie na natychmiastowe szczyty wysokoprądowe. Nie można ich po prostu połączyć równolegle, ponieważ ich typowe napięcie ogniwa nie może przekroczyć 2,7 wolta, choć można użyć specjalnych ładowarek superkondensatorów. Wybraliśmy LTC4425 od Analog Devices. Ten układ potrafi równoważyć napięcie na superkondensatorach połączonych szeregowo i ograniczać prąd z baterii. Superkondensatory o pojemności 5 faradów pozyskujemy od AVX, numer katalogowy SCCS20B505PRBLE. Ten element charakteryzuje się typowym prądem upływu 15 mikroamperów - krytycznym parametrem, który należy uwzględnić przy wyborze superkondensatorów do swojego projektu.

Kolejnym wyzwaniem chemii LiSoCl2 jest jej płaska krzywa rozładowania. Utrzymuje napięcie na mniej więcej tym samym poziomie przez około 90 % swojej żywotności (oczywiście zależy to od tego, jak ją rozładowujesz, ale mówimy o urządzeniach niskoenergetycznych). Choć brzmi to dobrze, ponieważ daje powierzchnię (czytaj energię) pod krzywą napięcie/prąd, ostatecznie trudno jest podać rozsądne oszacowanie pozostałej energii w baterii. Zaobserwowałem nawet tymczasowy wzrost napięcia przed gwałtownym spadkiem napięcia na koniec cyklu życia. Napięcie baterii zmienia się również wraz z temperaturą. Tak więc pomiar samego napięcia LiSoCl2 w celu wyciągnięcia jakichkolwiek wniosków jest po prostu bezcelowy.

Jednym ze sposobów na obejście tego jest śledzenie jej rezystancji wewnętrznej. Można to zrobić, mierząc napięcie baterii „w spoczynku” i „pod obciążeniem”, a przy znanym prądzie obciążenia można zastosować prosty wzór prawa Ohma:

R(batt) = | V(rest) - V(load) | / I(load)

Możesz obserwować wzrost rezystancji w czasie w swoim urządzeniu i dostarczyć użytkownikom produktu alert co najmniej kilka dni przed wyczerpaniem baterii, gdy jej rezystancja wewnętrzna przekroczy określony próg. Albo możesz uczynić swój algorytm bardziej zaawansowanym i śledzić szybkość zmiany rezystancji w czasie. Wreszcie, załóżmy, że chcesz osiągnąć jeszcze większą dokładność. W takim przypadku możesz monitorować napięcie, prąd i temperaturę baterii w czasie oraz zastosować zaawansowane modele analizy technicznej / sieci neuronowych, aby uzyskać lepsze oszacowanie stanu. Nie zaimplementowałem ich, ale niektóre firmy skupiają się wyłącznie na takich algorytmach, np. BatteryCheck.

Drugą metodą jest ciągłe monitorowanie całkowitej energii zużytej przez urządzenie. Taka metoda nazywa się zliczaniem kulombów i istnieją specjalistyczne układy scalone (określane jako fuel gauge IC), które mogą pomóc w takim śledzeniu. Musisz je jednak prawidłowo skonfigurować i dostarczyć model baterii (parametry), aby uzyskać sensowne wartości.

Wreszcie czasami pojedyncze ogniwo baterii nie wystarcza i w swoim projekcie musisz użyć wielu baterii. W HARDWARIO klienci często wymagają lat pracy w terenie i udzielają gwarancji na najgorsze możliwe warunki sygnału. Dlatego instalowanie wielu ogniw baterii podczas wdrożeń jest zwykle bardziej ekonomiczne niż wysyłanie techników do ich wcześniejszej wymiany.

Jak to rozwiązać? Kuszące może być połączenie wielu ogniw litowych szeregowo, aby uzyskać wyższe napięcie, i użycie przetwornic step-down, by wykorzystać cały potencjał energetyczny. Ale proszę, nie rób tego - NIGDY. Przed instalacją nie znasz stanu baterii, a ogniwa są zawsze nieco niezrównoważone. Wówczas jedno z ogniw zacznie się ładować, a to jest strefa zakazana dla chemii LiSoCl2 ze względów bezpieczeństwa!

Jakie jest rozwiązanie? Połącz je równolegle przez diodę Schottky’ego o bardzo niskim prądzie wstecznym. Producenci tacy jak Saft nie dopuszczają więcej niż kilku mikroamperów prądu wstecznego do baterii, więc wybór diody jest krytyczny. Dzięki temu podejściu nie musisz jednak ze względów bezpieczeństwa martwić się o stan ogniwa baterii w chwili instalacji.

Aby ułatwić życie naszym klientom i partnerom, zaprojektowaliśmy płytę nośną CHESTER-B1 z maksymalnie 6 uchwytami baterii rozmiaru D lub 8 uchwytami baterii rozmiaru C. Ta matryca uchwytów baterii może pomieścić Saft LS 33600 (całkowita pojemność 102 Ah) lub Saft LS 26500 (całkowita pojemność 47 Ah). Co więcej, płyta nośna znajduje się w wytrzymałej, wodoszczelnej obudowie IP-67 i jest gotowa służyć projektom IoT w terenie przez wiele najbliższych lat.

Mam nadzieję, że dało to wam kilka cennych wskazówek i spostrzeżeń na temat waszego zasilanego bateryjnie projektu IoT. Chętnie poznam wasze przemyślenia i doświadczenia.