Chémia batérií pre životnosť IoT zariadení

Pôvodný článok nájdete na LinkedIn

Bohužiaľ neexistuje žiadne univerzálne riešenie. Je potrebné prejsť mnoho faktorov - požiadavka na nabíjateľnosť, očakávaná životnosť batérie, požadovaný rozsah prevádzkových teplôt, rozmerové obmedzenia, schopnosť dodávať pulzný prúd atď.

Navyše existujú prísne predpisy pre prepravu batérií na báze lítia (dokument IATA Lithium Battery Guidance Document je výborným východiskovým bodom, ak potrebujete také batérie prepravovať letecky).

Musíte sa rozhodnúť, ako vybrané batérie dostať k zákazníkovi. Budú napríklad predinštalované v zariadeniach, alebo ich majú vkladať sami zákazníci? Ak batérie nedodávate spolu so zariadeniami, aká je ich dostupnosť v danej destinácii?

Okrem ujasnenia všetkých týchto otázok potrebujete poznať odhadovanú spotrebu energie vášho budúceho produktu. Ako ste asi uhádli, môže to byť problém typu sliepka-vajce a svoje rozhodnutie budete musieť v priebehu návrhu prehodnotiť. Váš odhad nemusel byť nutne chybný, ale zmenili sa požiadavky aplikácie a ste nútení začať znova.

V HARDWARIO sme navrhli mnoho nízkoenergetických dizajnov a vieme, že pre náš konfigurovateľný IoT gateway CHESTER nebolo príliš mnoho možností. Pretože zariadenie často pracuje vo vonkajších podmienkach, len málo chemických variantov spĺňa kritériá pre široký rozsah prevádzkových teplôt. Vitajte pri lítium-tionylchloride (alebo LiSoCl2) - primárnom lítiovom článku s nominálnym napätím 3,6 voltov.

Táto chémia LiSoCl2 má niekoľko kľúčových vlastností - okrem rozsahu prevádzkových teplôt od -60 do +85 stupňov Celzia poskytuje najvyššiu hustotu energie zo všetkých lítiových batérií. Je tiež veľmi dobre známa svojou extrémne nízkou mierou samovybíjania (t. j. koľko kapacity stratí pri skladovaní v čase).

Na druhej strane je potrebné vysporiadať sa s niektorými náročnými aspektmi batérií LiSoCl2. Jedným z nich je relatívne vysoký vnútorný odpor. Zatiaľ čo niekoľko ohmov nemusí byť problém pre mnohé zariadenia, určite to bude pre tie s celulárnou IoT konektivitou. V CHESTER používame nRF9160 od Nordic Semiconductor (podpora NB-IoT aj LTE-M). Napriek jeho špičkovým parametrom spotreby musíte stále zaistiť prúdovú kapacitu aspoň 500 mA.

Ak začnete odoberať akýkoľvek prúd, napätie batérie klesne v pomere prúdu a jej vnútorného odporu. Ako hardwarový návrhár musíte svojmu obvodu zaistiť minimálne prevádzkové napätie pre správnu funkčnosť zariadenia. Pokles napätia počas prenosu NB-IoT alebo LTE-M môže byť natoľko veľký, že spôsobí reset mikrokontroléra. Alebo dôjde k odregistrovaniu vášho modulu celulárnej konektivity zo siete operátora.

V CHESTER to riešime pomocou superkondenzátorov. Zatiaľ čo primárny článok batérie poskytuje objemovú zásobu energie, superkondenzátory pokrývajú dopyt po okamžitých vysokoprúdových špičkách. Nedajú sa jednoducho zapojiť paralelne, pretože ich typické napätie článku nesmie prekročiť 2,7 voltov, ale dajú sa použiť špeciálne nabíjačky superkondenzátorov. Vybrali sme LTC4425 od Analog Devices. Tento čip dokáže vyvažovať napätie naprieč sériovo zapojenými superkondenzátormi a obmedziť prúd z batérie. Superkondenzátory s kapacitou 5 faradov odoberáme od AVX, katalógové číslo SCCS20B505PRBLE. Tento diel má typický zvodový prúd 15 mikroampérov - kritický parameter, ktorý je potrebné zvážiť pri výbere superkondenzátorov pre váš návrh.

Ďalšou výzvou chémie LiSoCl2 je jej plochá vybíjacia krivka. Napätie sa udržiava približne na rovnakej úrovni počas cca 90 % životnosti (samozrejme záleží na tom, ako batériu vybíjate, ale hovoríme o nízkoenergetických zariadeniach). Aj keď to znie dobre, pretože to poskytuje plochu (čítaj energiu) pod krivkou napätie/prúd, je vo výsledku ťažké poskytnúť rozumný odhad zostávajúcej energie v batérii. Dokonca som pozoroval dočasné zvýšenie napätia pred prudkým poklesom na konci životného cyklu. Napätie batérie sa tiež mení s teplotou. Takže meranie napätia LiSoCl2 samotného na vyvodenie akéhokoľvek záveru je jednoducho zbytočné.

Jedným zo spôsobov, ako to obísť, je sledovanie vnútorného odporu. Môžete to vykonať meraním napätia batérie „v pokoji“ a „pod záťažou“ a pri známom zaťažovacom prúde môžete aplikovať jednoduchý Ohmov zákon:

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

Môžete sledovať nárast odporu v čase u svojho zariadenia a poskytnúť používateľom produktu upozornenie aspoň niekoľko dní predtým, než sa batéria vybije, keď jej vnútorný odpor prekročí určitý prah. Alebo môžete svoj algoritmus sofistikovať a sledovať rýchlosť zmeny odporu v čase. A ak chcete ísť ešte presnejšie, môžete monitorovať napätie, prúd a teplotu batérie v čase a aplikovať sofistikované modely technickej analýzy / neurónových sietí pre lepší odhad stavu. Tieto modely som neimplementoval, ale niektoré spoločnosti sa zameriavajú výhradne na také algoritmy, napr. BatteryCheck.

Druhou metódou je priebežné monitorovanie celkovej energie spotrebovanej zariadením. Táto metóda sa nazýva počítanie coulombov a existujú špecializované integrované obvody (označované ako fuel gauge IC), ktoré vám s týmto sledovaním pomôžu. Musíte ich však správne nakonfigurovať a poskytnúť model batérie (parametre), aby ste získali zmysluplné hodnoty.

V neposlednom rade niekedy jeden článok batérie nestačí a vo svojom projekte musíte použiť viacero batérií. V HARDWARIO zákazníci často požadujú roky prevádzky v teréne a poskytujú záruky pre najhoršie možné podmienky signálu. Preto je ekonomickejšie inštalovať pri nasadení viacero článkov batérií, než posielať technikov na ich skoršiu výmenu.

Ako to riešiť? Môže byť lákavé zapojiť viacero lítiových článkov sériovo na získanie vyššieho napätia a použiť step-down meniče na využitie všetkého energetického potenciálu. Ale prosím, nerobte to - NIKDY. Pred inštaláciou nepoznáte stav batérií a články sú vždy mierne nevyvážené. Potom sa jeden z článkov začne nabíjať, a to je u chémie LiSoCl2 z bezpečnostných dôvodov zakázaná zóna!

Aké je riešenie? Zapojte ich paralelne cez Schottkyho diódu s veľmi nízkym spätným prúdom. Výrobcovia ako Saft nedovoľujú viac než niekoľko mikroampérov spätného prúdu do batérie, takže výber diódy je kritický. S týmto prístupom sa však nemusíte z bezpečnostných dôvodov obávať stavu článku batérie v dobe inštalácie.

Aby sme uľahčili život našim zákazníkom a partnerom, navrhli sme nosnú dosku CHESTER-B1 s až 6 držiakmi batérií veľkosti D alebo 8 držiakmi batérií veľkosti C. Toto pole držiakov môže pojať Saft LS 33600 (celková kapacita 102 Ah) alebo Saft LS 26500 (celková kapacita 47 Ah). Nosná doska je navyše umiestnená v robustnom vodotesnom puzdre IP-67 a je pripravená slúžiť IoT projektom v teréne mnoho rokov.

Dúfam, že vám tento článok priniesol cenné tipy a poznatky o vašom batériovo napájanom IoT projekte. Budem rád za vaše postrehy a skúsenosti.