Batteriechemie fur die IoT-Lebensdauer
Ein ausfuhrlicher Einblick in die Batterieauswahl fur stromsparende IoT-Gerate, einschliesslich LiSoCl2-Chemie, Energiemanagement und Techniken zur Maximierung der Gerätelebensdauer im Feldeinsatz.
Der Originalartikel ist auf LinkedIn zu finden
Leider gibt es keine universelle Lösung. Es sind viele Faktoren zu berücksichtigen - die Anforderung an Wiederaufladbarkeit, die erwartete Batterielebensdauer, der geforderte Betriebstemperaturbereich, Größenbeschränkungen, Impulsstromfähigkeit usw.
Außerdem gibt es strenge Vorschriften für den Transport von Lithium-Batterien (das Dokument IATA Lithium Battery Guidance Document ist ein hervorragender Ausgangspunkt, wenn Sie solche Batterien per Luftfracht versenden müssen).
Sie müssen entscheiden, wie die gewählten Batterien zu Ihrem Kunden gelangen. Werden sie beispielsweise in den Geräten vorinstalliert sein, oder sollen sie vom Kunden eingesetzt werden? Wenn Sie die Batterien nicht mit den Geräten versenden, wie steht es um deren Verfügbarkeit am jeweiligen Bestimmungsort?
Neben der Klärung all dieser Fragen müssen Sie den geschätzten Stromverbrauch Ihres zukünftigen Produkts kennen. Wie Sie sich denken können, kann dies ein Henne-Ei-Problem sein, und Sie müssen Ihre Entscheidung später im Designprozess überarbeiten. Ihre Schätzung muss nicht unbedingt falsch gewesen sein, aber die Anwendungsanforderungen haben sich geändert, und Sie müssen von vorne beginnen.
Bei HARDWARIO haben wir viele stromsparende Designs entwickelt, und wir wissen, dass es für unser konfigurierbares IoT-Gateway CHESTER nicht allzu viele Optionen gab. Da das Gerät häufig unter Außenbedingungen betrieben wird, können nur wenige Chemie-Optionen die Kriterien für einen weiten Betriebstemperaturbereich erfüllen. Willkommen bei Lithium-Thionylchlorid (oder LiSoCl2) - der primären Lithiumzelle mit einer Nennspannung von 3,6 Volt.
Diese LiSoCl2-Chemie hat mehrere wichtige Eigenschaften - neben ihrem Betriebstemperaturbereich von -60 bis +85 Grad Celsius bietet sie die höchste Energiedichte aller Lithium-Batterien. Außerdem ist sie sehr bekannt für ihre extrem niedrige Selbstentladungsrate (d.h. wie viel Kapazität sie im Laufe der Zeit bei Lagerung verliert).
Andererseits müssen Sie mit einigen herausfordernden Aspekten der LiSoCl2-Batterien umgehen. Einer davon ist der relativ hohe Innenwiderstand. Während einige Ohm für viele Geräte kein Problem darstellen, ist dies bei Geräten mit zellulärer IoT-Konnektivität sicherlich der Fall. In CHESTER verwenden wir den nRF9160 von Nordic Semiconductor (unterstützt sowohl NB-IoT als auch LTE-M). Trotz seiner führenden Stromverbrauchsparameter müssen Sie dennoch eine Stromfähigkeit von mindestens 500 mA bereitstellen.
Wenn Sie beginnen, Strom zu entnehmen, fällt die Batteriespannung proportional zum Strom und ihrem Innenwiderstand ab. Als Hardware-Entwickler müssen Sie eine Mindestbetriebsspannung für Ihre Schaltungen sicherstellen, um die ordnungsgemäße Funktionalität des Geräts zu gewährleisten. Der Spannungsabfall während der NB-IoT- oder LTE-M-Übertragung kann groß genug sein, um einen Mikrocontroller-Reset auszulösen. Oder er führt dazu, dass Ihr Mobilfunk-Konnektivitätsmodul vom Netz des Betreibers abgemeldet wird.
In CHESTER lösen wir dies mit Superkondensatoren. Während die Primärzellenbatterie die Hauptenergiereserve bereitstellt, decken die Superkondensatoren den Bedarf an sofortigen Hochstromspitzen ab. Sie können sie nicht einfach parallel schalten, da ihre typische Zellenspannung 2,7 Volt nicht überschreiten darf, obwohl Sie spezielle Superkondensator-Ladegeräte verwenden können. Wir haben den LTC4425 von Analog Devices gewählt. Dieser Chip kann die Spannung über die in Reihe geschalteten Superkondensatoren ausgleichen und den Strom aus der Batterie begrenzen. Wir beziehen Superkondensatoren mit einer Kapazität von 5 Farad von AVX, Teilenummer SCCS20B505PRBLE. Dieses Bauteil weist einen typischen Leckstrom von 15 Mikroampere auf - ein kritischer Parameter bei der Auswahl von Superkondensatoren für Ihr Design.
Eine weitere Herausforderung der LiSoCl2-Chemie ist ihre flache Entladekurve. Sie hält ihre Spannung für etwa 90 % ihrer Lebensdauer auf ungefähr dem gleichen Niveau (natürlich hängt es davon ab, wie Sie sie entladen, aber wir sprechen von stromsparenden Geräten). Das klingt zwar gut, da es Fläche (sprich Energie) unter der Spannungs-/Stromkurve bietet, es ist jedoch letztlich schwierig, eine vernünftige Schätzung der verbleibenden Batterieleistung abzugeben. Ich habe sogar einen vorübergehenden Spannungsanstieg vor dem steilen Spannungsabfall am Ende des Lebenszyklus beobachtet. Die Batteriespannung variiert auch mit der Temperatur. Daher ist es schlichtweg sinnlos, die LiSoCl2-Spannung allein zu messen, um daraus Schlüsse zu ziehen.
Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht jedoch darin, den Innenwiderstand zu verfolgen. Sie können dies tun, indem Sie die Batteriespannung “im Ruhezustand” und “unter Last” messen, und bei bekanntem Laststrom können Sie die einfache Ohm’sche Formel anwenden:
R(batt) = | V(Ruhe) - V(Last) | / I(Last)
Sie können den Widerstandsanstieg im Laufe der Zeit in Ihrem Gerät beobachten und den Benutzern Ihres Produkts mindestens einige Tage vor dem Ableben der Batterie eine Warnung geben, wenn der Innenwiderstand einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Oder Sie können Ihren Algorithmus weiter verfeinern und die Geschwindigkeit der Widerstandsänderung im Zeitverlauf verfolgen. Wenn Sie noch genauer vorgehen möchten, können Sie Batteriespannung, Strom und Temperatur über die Zeit überwachen und anspruchsvolle technische Analyse- / neuronale Netzwerkmodelle anwenden, um eine bessere Zustandsschätzung zu erhalten. Ich habe diese nicht implementiert, aber einige Unternehmen konzentrieren sich ausschließlich auf solche Algorithmen, z.B. BatteryCheck.
Die zweite Methode besteht darin, die vom Gerät verbrauchte Gesamtenergie kontinuierlich zu überwachen. Eine solche Methode wird Coulomb-Zählung genannt, und es gibt spezialisierte integrierte Schaltkreise (sogenannte Fuel-Gauge-ICs), die Ihnen bei einer solchen Verfolgung helfen können. Sie müssen sie jedoch korrekt konfigurieren und ein Batteriemodell (Parameter) bereitstellen, um aussagekräftige Werte zu erhalten.
Zu guter Letzt reicht manchmal eine einzelne Batteriezelle nicht aus, und Sie müssen mehrere Batterien in Ihrem Projekt verwenden. Bei HARDWARIO fordern Kunden häufig einen jahrelangen Betrieb im Feld und verlangen Garantien für die schlechtestmöglichen Signalbedingungen. Daher ist es in der Regel wirtschaftlicher, bei der Installation mehrere Batteriezellen einzubauen, als Techniker zu schicken, um sie früher als nötig zu ersetzen.
Wie lösen Sie das? Es mag verlockend sein, mehrere Lithium-Zellen in Reihe zu schalten, um eine höhere Spannung zu erhalten und Abwärtswandler zu verwenden, um das gesamte Energiepotenzial zu nutzen. Aber bitte tun Sie das NICHT - NIEMALS. Vor der Installation kennen Sie den Zustand der Batterien nicht, und die Zellen sind immer leicht unausgeglichen. Dann beginnt eine der Zellen geladen zu werden, und dies ist aus Sicherheitsgründen eine verbotene Zone für die LiSoCl2-Chemie!
Was ist die Lösung? Schalten Sie sie über eine Schottky-Diode mit sehr niedrigem Sperrstrom parallel. Hersteller wie Saft erlauben nicht mehr als einige Mikroampere Rückstrom zur Batterie, daher ist die Diodenauswahl entscheidend. Mit diesem Ansatz müssen Sie sich aus Sicherheitsgründen jedoch keine Sorgen über den Zustand der Batteriezellen zum Zeitpunkt der Installation machen.
Um unseren Kunden und Partnern das Leben zu erleichtern, haben wir eine Trägerplatine CHESTER-B1 mit bis zu 6x D-Zellen- oder 8x C-Zellen-Batteriehaltern entwickelt. Diese Anordnung von Batteriehaltern kann Saft LS 33600 (Gesamtkapazität von 102 Ah) oder Saft LS 26500 (Gesamtkapazität von 47 Ah) aufnehmen. Darüber hinaus befindet sich die Trägerplatine in einem robusten, wasserdichten IP-67-Gehäuse und ist bereit, IoT-Projekte im Feld über Jahre hinweg zuverlässig zu unterstützen.
Ich hoffe, dies hat Ihnen einige wertvolle Tipps und Einblicke für Ihr batteriebetriebenes IoT-Projekt gegeben. Ich freue mich auf Ihre Gedanken und Erfahrungen.
