Chemie baterií pro životnost IoT zařízení

Původní článek naleznete na LinkedIn

Bohužel neexistuje žádné univerzální řešení. Je třeba projít mnoho faktorů - požadavek na dobíjitelnost, očekávaná životnost baterie, požadovaný rozsah provozních teplot, rozměrová omezení, schopnost dodávat pulzní proud atd.

Navíc existují přísné předpisy pro přepravu baterií na bázi lithia (dokument IATA Lithium Battery Guidance Document je výborným výchozím bodem, pokud potřebujete takové baterie přepravovat letecky).

Musíte se rozhodnout, jak vybrané baterie dostat k zákazníkovi. Budou například předinstalované v zařízeních, nebo je mají vkládat sami zákazníci? Pokud baterie nedodáváte spolu se zařízeními, jaká je jejich dostupnost v dané destinaci?

Kromě ujasnění všech těchto otázek potřebujete znát odhadovanou spotřebu energie vašeho budoucího produktu. Jak jste asi uhodli, může to být problém typu slepice-vejce a své rozhodnutí budete muset v průběhu návrhu přehodnotit. Váš odhad nemusel být nutně chybný, ale změnily se požadavky aplikace a jste nuceni začít znovu.

V HARDWARIO jsme navrhli mnoho nízkoenergetických designů a víme, že pro náš konfigurovatelný IoT gateway CHESTER nebylo příliš mnoho možností. Protože zařízení často pracuje ve venkovních podmínkách, jen málo chemických variant splňuje kritéria pro široký rozsah provozních teplot. Vítejte u lithium-thionylchloridu (neboli LiSoCl2) - primárního lithiového článku s nominálním napětím 3,6 voltů.

Tato chemie LiSoCl2 má několik klíčových vlastností - kromě rozsahu provozních teplot od -60 do +85 stupňů Celsia poskytuje nejvyšší hustotu energie ze všech lithiových baterií. Je také velmi dobře známá svou extrémně nízkou mírou samovybíjení (tj. kolik kapacity ztratí při skladování v čase).

Na druhou stranu je třeba se vypořádat s některými náročnými aspekty baterií LiSoCl2. Jedním z nich je relativně vysoký vnitřní odpor. Zatímco několik ohmů nemusí být problém pro mnohá zařízení, určitě to bude pro ta s celulární IoT konektivitou. V CHESTER používáme nRF9160 od Nordic Semiconductor (podpora NB-IoT i LTE-M). Navzdory jeho špičkovým parametrům spotřeby musíte stále zajistit proudovou kapacitu alespoň 500 mA.

Pokud začnete odebírat jakýkoli proud, napětí baterie klesne v poměru proudu a jejího vnitřního odporu. Jako hardwarový návrhář musíte svým obvodům zajistit minimální provozní napětí pro správnou funkčnost zařízení. Pokles napětí během přenosu NB-IoT nebo LTE-M může být natolik velký, že způsobí reset mikrokontroléru. Nebo dojde k odregistrování vašeho modulu celulární konektivity ze sítě operátora.

V CHESTER to řešíme pomocí superkondenzátorů. Zatímco primární článek baterie poskytuje objemovou zásobu energie, superkondenzátory pokrývají poptávku po okamžitých vysokoproudových špičkách. Nelze je jednoduše zapojit paralelně, protože jejich typické napětí článku nesmí překročit 2,7 voltů, ale lze použít speciální nabíječky superkondenzátorů. Vybrali jsme LTC4425 od Analog Devices. Tento čip dokáže vyvažovat napětí napříč sériově zapojenými superkondenzátory a omezit proud z baterie. Superkondenzátory s kapacitou 5 faradů odebíráme od AVX, katalogové číslo SCCS20B505PRBLE. Tento díl má typický svodový proud 15 mikroampér - kritický parametr, který je třeba zvážit při výběru superkondenzátorů pro váš návrh.

Další výzvou chemie LiSoCl2 je její plochá vybíjecí křivka. Napětí se udržuje přibližně na stejné úrovni po cca 90 % životnosti (samozřejmě záleží na tom, jak baterii vybíjíte, ale mluvíme o nízkoenergetických zařízeních). I když to zní dobře, protože to poskytuje plochu (čti energii) pod křivkou napětí/proud, je ve výsledku obtížné poskytnout rozumný odhad zbývající energie v baterii. Dokonce jsem pozoroval dočasné zvýšení napětí před prudkým poklesem na konci životního cyklu. Napětí baterie se také mění s teplotou. Takže měření napětí LiSoCl2 samotného k vyvození jakéhokoli závěru je jednoduše zbytečné.

Jedním ze způsobů, jak to obejít, je sledování vnitřního odporu. Můžete to provést měřením napětí baterie „v klidu” a „pod zátěží” a při známém zatěžovacím proudu můžete aplikovat jednoduchý Ohmův zákon:

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

Můžete sledovat nárůst odporu v čase u svého zařízení a poskytnout uživatelům produktu upozornění alespoň několik dní předtím, než se baterie vybije, když její vnitřní odpor překročí určitý práh. Nebo můžete svůj algoritmus sofistikovat a sledovat rychlost změny odporu v čase. A pokud chcete jít ještě přesněji, můžete monitorovat napětí, proud a teplotu baterie v čase a aplikovat sofistikované modely technické analýzy / neuronových sítí pro lepší odhad stavu. Tyto modely jsem neimplementoval, ale některé společnosti se zaměřují výhradně na takové algoritmy, např. BatteryCheck.

Druhou metodou je průběžné monitorování celkové energie spotřebované zařízením. Tato metoda se nazývá počítání coulombů a existují specializované integrované obvody (označované jako fuel gauge IC), které vám s tímto sledováním pomohou. Musíte je však správně nakonfigurovat a poskytnout model baterie (parametry), abyste získali smysluplné hodnoty.

V neposlední řadě někdy jeden článek baterie nestačí a ve svém projektu musíte použít více baterií. V HARDWARIO zákazníci často požadují roky provozu v terénu a poskytují záruky pro nejhorší možné podmínky signálu. Proto je ekonomičtější instalovat při nasazení více článků baterií, než posílat techniky na jejich dřívější výměnu.

Jak to řešit? Může být lákavé zapojit více lithiových článků sériově pro získání vyššího napětí a použít step-down měniče k využití veškerého energetického potenciálu. Ale prosím, nedělejte to - NIKDY. Před instalací neznáte stav baterií a články jsou vždy mírně nevyvážené. Pak se jeden z článků začne nabíjet, a to je u chemie LiSoCl2 z bezpečnostních důvodů zakázaná zóna!

Jaké je řešení? Zapojte je paralelně přes Schottkyho diodu s velmi nízkým zpětným proudem. Výrobci jako Saft nedovolují více než několik mikroampér zpětného proudu do baterie, takže výběr diody je kritický. S tímto přístupem se však nemusíte z bezpečnostních důvodů obávat stavu článku baterie v době instalace.

Abychom usnadnili život našim zákazníkům a partnerům, navrhli jsme nosnou desku CHESTER-B1 s až 6 držáky baterií velikosti D nebo 8 držáky baterií velikosti C. Toto pole držáků může pojmout Saft LS 33600 (celková kapacita 102 Ah) nebo Saft LS 26500 (celková kapacita 47 Ah). Nosná deska je navíc umístěna v robustním vodotěsném pouzdře IP-67 a je připravena sloužit IoT projektům v terénu po mnoho let.

Doufám, že vám tento článek přinesl cenné tipy a poznatky o vašem bateriově napájeném IoT projektu. Budu rád za vaše postřehy a zkušenosti.