Экстремальные условия требуют сверхдолговечных батарей
Узнайте, как выбрать лучшую батарею для удаленных устройств в экстремальных условиях. Сравнение литиевых батарей LiSOCl2, алкалиновых элементов и гибридных решений для АМР/AMI сетей и промышленного Интернета вещей (IIoT). Обеспечьте долговечность и надежность вашего оборудования.
Если удаленное беспроводное устройство развертывается в труднодоступном месте, где отказ недопустим, выгоднее выбрать самую лучшую батарею из возможных.
Мир полон труднодоступных мест, где нужно выбрать батарею, на которую действительно можно положиться, потому что от нее зависит всё: под пролетом моста, глубоко под водой, на вершине айсберга. Иногда применение не является отдаленным, например, муниципальная сеть автоматизированного сбора данных (АМР/AMI), где неожиданный системный отказ батарей может обернуться дорогостоящим кризисом.
Хотя батарея обычно составляет лишь малую долю от общей стоимости устройства, она часто играет самую критическую роль в определении долгосрочной производительности продукта. Оптимальная батарея служит бьющимся сердцем устройства мирового класса. Выбор неправильной батареи может привести к сбоям в работе, потере данных, рискам для безопасности и дорогостоящему обслуживанию, что негативно сказывается на репутации бренда.
Энергопотребление маломощных устройств
Чтобы продлить срок службы батареи, маломощные удаленные беспроводные устройства работают преимущественно в «режиме ожидания» или «сна», пробуждаясь периодически или при превышении определенного порога данных. В «спящем» режиме маломощное устройство обычно потребляет очень малые фоновые токи, измеряемые в микроамперах, а затем потребляет кратковременные импульсы энергии, измеряемые в амперах, для питания запросов данных и беспроводной связи. Требования конкретного приложения определяют, является ли лучшим выбором первичный (неперезаряжаемый) элемент или более дорогое решение с использованием перезаряжаемой литий-ионной батареи совместно с устройством сбора энергии, что может потребоваться, если энергопотребление достаточно высоко, чтобы преждевременно истощить первичный элемент.
Батареи бобинного типа LiSOCl2 служат основой для современных систем учета АМР/AMI, обеспечивая десятилетия надежной работы для питания беспроводной связи. (Фото предоставлено Aclara)
Не все батареи одинаковы
Большинство удаленных беспроводных устройств питаются от первичных (неперезаряжаемых) химических источников тока, каждый из которых обладает уникальными рабочими характеристиками. К таким химическим системам относятся дисульфат железа (LiFeS2), диоксид марганца литиевый (LiMNO2), тионилхлорид литиевый (LiSOCl2), щелочные (алкалиновые) элементы и литий-металл-оксидные батареи.
Среди первичных химических источников щелочные элементы часто используются из-за их дешевизны и повсеместной доступности. Однако у щелочных батарей есть серьезные недостатки, включая высокий саморазряд (до 60% в год), ненадежность при экстремальных температурах и очень низкую энергетическую плотность, что может увеличивать габариты. Щелочные батареи идеально подходят для потребительских устройств с высоким потреблением (например, игрушки и фонарики), но обычно плохо приспособлены для долгосрочного использования в экстремальных условиях.
Литий-тионилхлоридная (LiSOCl₂) батарея бобинного типа считается золотым стандартом для длительной эксплуатации в экстремальных условиях. Некоторые батареи LiSOCl2 бобинного типа могут работать до 40 лет благодаря низкой скорости саморазряда – всего 0,7% в год. Батареи этого типа также обладают самым широким температурным диапазоном из всех (от –80°C до +125°C), наряду с самой высокой энергетической плотностью и самым высоким напряжением. В отличие от любой другой батарейной технологии, химия LiSOCl₂ допускает естественное явление, называемое пассивацией, при котором на аноде неактивной батареи образуется тонкий слой хлорида лития, снижая скорость ее саморазряда: этот процесс повторяется каждый раз, когда батарея находится в простое.
В совокупности эти характеристики часто позволяют минимизировать источник питания, используя меньшее количество батарей, а также уменьшить или исключить необходимость замены батарей в течение срока службы устройства, что приводит к снижению стоимости владения и повышению рентабельности инвестиций (ROI). Жара и холод вредят сроку службы батареи.
Как экстремальные среды влияют на срок службы батарей
Экстремальные условия могут негативно сказаться на долговременной производительности батареи. В то время как умеренно низкие температуры могут быть полезны для снижения скорости саморазряда батареи, длительное воздействие экстремального холода может замедлить химические реакции и вызвать падение напряжения. Длительное воздействие экстремально высоких температур также может серьезно повлиять на производительность батареи: ускоряя химические реакции, вызывающие саморазряд, и вызывая значительные падения напряжения, повышая потенциальную возможность отказа под нагрузкой. Батареи LiSOCl2 бобинного типа разработаны для надежной работы в экстремальных условиях, причем некоторые элементы обеспечивают расширенный температурный диапазон от –80°C до +125°C.
Гибридные батареи для работы с высокими импульсными нагрузками
При передаче данных устройства, подключенные к промышленному Интернету вещей (IIoT), могут требовать высоких импульсов тока до 5 ампер, что значительно больше, чем может обеспечить стандартная батарея LiSOCl2 бобинного типа из-за ее низкоскоростной конструкции. Эффективное решение было разработано с появлением батарей PulsesPlus™, которые сочетают стандартный элемент LiSOCl2 бобинного типа с запатентованным гибридным слоистым конденсатором (HLC), накапливающим небольшие количества энергии для генерации высоких импульсных токов. Запатентованный HLC имеет уникальное плато напряжения, которое возникает перед приближением батареи к концу срока службы. Это плато напряжения может инициировать сигнал тревоги «низкий заряд батареи» для планового обслуживания, снижая риск нарушения целостности данных и простоев системы.
Батареи LiSOCl2 бобинного типа overwhelmingly предпочтительны для длительного развертывания на удаленных объектах и в экстремальных условиях, обеспечивая, среди прочих характеристик, более высокую емкость и энергетическую плотность.
Проведите тщательный анализ (Due Diligence)
Хотя для прогнозирования ожидаемого срока службы батареи используются различные краткосрочные тесты, они могут быть крайне неточными при определении фактической производительности в течение длительного срока эксплуатации, особенно если применение предполагает длительное воздействие экстремальных температур. Ненадежные данные испытаний затрудняют сравнение конкурирующих брендов батарей, что делает необходимым тщательный анализ сторонней документации и отчетов об испытаниях и, что наиболее важно, сравнение реальных полевых данных от аналогичных применений, работающих в сопоставимых условиях окружающей среды. Одних только технических спецификаций часто может быть недостаточно. Например, некоторые производители батарей LiSOCl2 бобинного типа заявляют о «сроке службы 15-20 лет» при скоростях саморазряда, которые слишком высоки, чтобы подтверждать такие заявления.
Подстрахуйтесь с помощью экспертного совета
В ситуациях, когда отказ или замена батареи недопустимы, крайне важно правильно выбрать батарею. Если вы разрабатываете новый продукт или хотите оптимизировать существующую систему, вы должны быть осторожны и выбрать лучшее из доступных решений, а не просто самый дешевый вариант, который часто в долгосрочной перспективе оказывается более дорогим.
Поскольку все батареи внешне выглядят одинаково, а данные краткосрочных испытаний могут быть крайне ненадежными для прогнозирования реальной долгосрочной производительности, вы должны провести тщательный анализ. Начните с того, что высококвалифицированный инженер-схемотехник проанализирует ваши уникальные требования к питанию и применит специализированные знания и практический опыт для определения оптимального решения. Получение второго мнения поможет убедиться, что вы сделаете все правильно с первого раза.
Мир полон труднодоступных мест, где нужно выбрать батарею, на которую действительно можно положиться, потому что от нее зависит всё: под пролетом моста, глубоко под водой, на вершине айсберга. Иногда применение не является отдаленным, например, муниципальная сеть автоматизированного сбора данных (АМР/AMI), где неожиданный системный отказ батарей может обернуться дорогостоящим кризисом.
Хотя батарея обычно составляет лишь малую долю от общей стоимости устройства, она часто играет самую критическую роль в определении долгосрочной производительности продукта. Оптимальная батарея служит бьющимся сердцем устройства мирового класса. Выбор неправильной батареи может привести к сбоям в работе, потере данных, рискам для безопасности и дорогостоящему обслуживанию, что негативно сказывается на репутации бренда.
Энергопотребление маломощных устройств
Чтобы продлить срок службы батареи, маломощные удаленные беспроводные устройства работают преимущественно в «режиме ожидания» или «сна», пробуждаясь периодически или при превышении определенного порога данных. В «спящем» режиме маломощное устройство обычно потребляет очень малые фоновые токи, измеряемые в микроамперах, а затем потребляет кратковременные импульсы энергии, измеряемые в амперах, для питания запросов данных и беспроводной связи. Требования конкретного приложения определяют, является ли лучшим выбором первичный (неперезаряжаемый) элемент или более дорогое решение с использованием перезаряжаемой литий-ионной батареи совместно с устройством сбора энергии, что может потребоваться, если энергопотребление достаточно высоко, чтобы преждевременно истощить первичный элемент.
Батареи бобинного типа LiSOCl2 служат основой для современных систем учета АМР/AMI, обеспечивая десятилетия надежной работы для питания беспроводной связи. (Фото предоставлено Aclara)
Не все батареи одинаковы
Большинство удаленных беспроводных устройств питаются от первичных (неперезаряжаемых) химических источников тока, каждый из которых обладает уникальными рабочими характеристиками. К таким химическим системам относятся дисульфат железа (LiFeS2), диоксид марганца литиевый (LiMNO2), тионилхлорид литиевый (LiSOCl2), щелочные (алкалиновые) элементы и литий-металл-оксидные батареи.
Среди первичных химических источников щелочные элементы часто используются из-за их дешевизны и повсеместной доступности. Однако у щелочных батарей есть серьезные недостатки, включая высокий саморазряд (до 60% в год), ненадежность при экстремальных температурах и очень низкую энергетическую плотность, что может увеличивать габариты. Щелочные батареи идеально подходят для потребительских устройств с высоким потреблением (например, игрушки и фонарики), но обычно плохо приспособлены для долгосрочного использования в экстремальных условиях.
Литий-тионилхлоридная (LiSOCl₂) батарея бобинного типа считается золотым стандартом для длительной эксплуатации в экстремальных условиях. Некоторые батареи LiSOCl2 бобинного типа могут работать до 40 лет благодаря низкой скорости саморазряда – всего 0,7% в год. Батареи этого типа также обладают самым широким температурным диапазоном из всех (от –80°C до +125°C), наряду с самой высокой энергетической плотностью и самым высоким напряжением. В отличие от любой другой батарейной технологии, химия LiSOCl₂ допускает естественное явление, называемое пассивацией, при котором на аноде неактивной батареи образуется тонкий слой хлорида лития, снижая скорость ее саморазряда: этот процесс повторяется каждый раз, когда батарея находится в простое.
В совокупности эти характеристики часто позволяют минимизировать источник питания, используя меньшее количество батарей, а также уменьшить или исключить необходимость замены батарей в течение срока службы устройства, что приводит к снижению стоимости владения и повышению рентабельности инвестиций (ROI). Жара и холод вредят сроку службы батареи.
Как экстремальные среды влияют на срок службы батарей
Экстремальные условия могут негативно сказаться на долговременной производительности батареи. В то время как умеренно низкие температуры могут быть полезны для снижения скорости саморазряда батареи, длительное воздействие экстремального холода может замедлить химические реакции и вызвать падение напряжения. Длительное воздействие экстремально высоких температур также может серьезно повлиять на производительность батареи: ускоряя химические реакции, вызывающие саморазряд, и вызывая значительные падения напряжения, повышая потенциальную возможность отказа под нагрузкой. Батареи LiSOCl2 бобинного типа разработаны для надежной работы в экстремальных условиях, причем некоторые элементы обеспечивают расширенный температурный диапазон от –80°C до +125°C.
Гибридные батареи для работы с высокими импульсными нагрузками
При передаче данных устройства, подключенные к промышленному Интернету вещей (IIoT), могут требовать высоких импульсов тока до 5 ампер, что значительно больше, чем может обеспечить стандартная батарея LiSOCl2 бобинного типа из-за ее низкоскоростной конструкции. Эффективное решение было разработано с появлением батарей PulsesPlus™, которые сочетают стандартный элемент LiSOCl2 бобинного типа с запатентованным гибридным слоистым конденсатором (HLC), накапливающим небольшие количества энергии для генерации высоких импульсных токов. Запатентованный HLC имеет уникальное плато напряжения, которое возникает перед приближением батареи к концу срока службы. Это плато напряжения может инициировать сигнал тревоги «низкий заряд батареи» для планового обслуживания, снижая риск нарушения целостности данных и простоев системы.
Батареи LiSOCl2 бобинного типа overwhelmingly предпочтительны для длительного развертывания на удаленных объектах и в экстремальных условиях, обеспечивая, среди прочих характеристик, более высокую емкость и энергетическую плотность.
Проведите тщательный анализ (Due Diligence)
Хотя для прогнозирования ожидаемого срока службы батареи используются различные краткосрочные тесты, они могут быть крайне неточными при определении фактической производительности в течение длительного срока эксплуатации, особенно если применение предполагает длительное воздействие экстремальных температур. Ненадежные данные испытаний затрудняют сравнение конкурирующих брендов батарей, что делает необходимым тщательный анализ сторонней документации и отчетов об испытаниях и, что наиболее важно, сравнение реальных полевых данных от аналогичных применений, работающих в сопоставимых условиях окружающей среды. Одних только технических спецификаций часто может быть недостаточно. Например, некоторые производители батарей LiSOCl2 бобинного типа заявляют о «сроке службы 15-20 лет» при скоростях саморазряда, которые слишком высоки, чтобы подтверждать такие заявления.
Подстрахуйтесь с помощью экспертного совета
В ситуациях, когда отказ или замена батареи недопустимы, крайне важно правильно выбрать батарею. Если вы разрабатываете новый продукт или хотите оптимизировать существующую систему, вы должны быть осторожны и выбрать лучшее из доступных решений, а не просто самый дешевый вариант, который часто в долгосрочной перспективе оказывается более дорогим.
Поскольку все батареи внешне выглядят одинаково, а данные краткосрочных испытаний могут быть крайне ненадежными для прогнозирования реальной долгосрочной производительности, вы должны провести тщательный анализ. Начните с того, что высококвалифицированный инженер-схемотехник проанализирует ваши уникальные требования к питанию и применит специализированные знания и практический опыт для определения оптимального решения. Получение второго мнения поможет убедиться, что вы сделаете все правильно с первого раза.
© Использованы материалы с буржуйских интернет-ресурсов
