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如何为远程无线设备选择适合的电池?

2021-09-03 Sol Jacobs,Tadiran Batteries公司副总裁及总经理 阅读:
IIoT(工业物联网)的连接设备渐渐都发展成了真无线设备,常被用来监控那些人们难以到达或没有通电的地点。根据具体的应用给设备配以合适的化学电池,有助于最大限度地提高由电池供电的远程无线设备的性能。

根据具体的应用给设备配以合适的化学电池,有助于最大限度地提高由电池供电的远程无线设备的性能。qSxednc

IIoT(工业物联网)的连接设备渐渐都发展成了真无线设备,常被用来监控那些人们难以到达或没有通电的地点。需要电池供电的工业远程无线设备主要有两种。qSxednc

第一种设备的平均能耗为微安级(包括背景电流和脉冲),通常由工业级的锂原(不可充电)电池供电。另一种设备的平均能耗为毫安级(包括背景电流和脉冲),通常由能量采集设备和锂离子可充电电池供电。qSxednc

不同类的(不可充电)电池

绝大多数远程无线设备都由原电池供电。很多化学物质,包括锂二硫化亚铁(LiFeS2)、亚锰酸锂(LiMnO2)、亚硫酰氯锂(LiSOCl2)和锂金属氧化物,都可以用来制作原电池(表1)。qSxednc

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表1:电池类型比较。(数据来源:Tadiran Batteries)qSxednc

锂电池因其固有的高负电位(高于其他所有金属)而成为工业无线应用的首选。作为最轻的非气态金属,锂电池与其他化学电池相比有着最高的比能(每单位重量的能量)和能量密度(每单位体积的能量)。锂电池具有2.7至3.6V的正常工作电流电压。锂电池使用的化学物质是非水性的,因此在极低的温度下也不太可能被冻住。qSxednc

线轴型LiSOCl2电池主要适合在极端环境中长期使用,例如:AMR/AMI(自动抄表)、M2M(机器对机器)、SCADA(数据采集与监控系统)、储罐液位监测、资产追踪和环境传感等等。线轴型LiSOCl2电池使用的是容量最高、能量密度最大的化学物质,它拥有最低的每年自放电率(个别电池的每年自放电率可低至1%以下),电池寿命长达40年。这种电池的工作温度范围最广(-80˚C至125°C),适合在人类难以到达的各种地方和极端环境中使用。qSxednc

哪些因素影响池自放电

所有电池都有一定程度的自放电,即使在电池断开或还未使用时,电池内的化学反应也会消耗能量,所以自放电是一种非常自然的现象。自放电受电池当前的放电电位、原材料的纯度和质量以及钝化现象影响。qSxednc

钝化现象是LiSOCl2电池独有的,这是由于在锂阳极表面会形成氯化锂(LiCl)薄膜,这会限制电池内的化学反应。当给电池加上负载时,钝化层会导致初始的高电阻和电压暂时性下降,直到放电反应开始耗散LiCl层——这个过程在每次移除负载时都会重复。qSxednc

钝化效应对电池的很多方面都有影响,包括电流容量、储存时间、储存温度、放电温度和放电前的条件等。与新电池相比,从电量不满的电池上移除负载会增加钝化程度。钝化可以延长电池寿命,但过度钝化又会限制能量传输。qSxednc

其他影响电池自放电的因素有:电池的电流放电电位、电池的制造方法和原材料的质量。例如,高质量线轴型LiSOCl2电池的自放电率可低至每年0.7%,并且在40年后仍可保持70%的原始电池容量。相比之下,质量较低的线轴型LiSOCl2电池每年的自放电率可高达3%,并且每10年会损失30%的电池容量,所以根本无法达到40年的电池寿命。qSxednc

如何实现高脉冲应用

越来越多的无线设备平时都处在“待机”状态,不怎么消耗电流,但需要周期性的高脉冲来为双向无线通信供电。qSxednc

标准线轴型LiSOCl2电池的放电率低,所以无法提供高脉冲,这一问题可以通过使用获得专利的混合层电容器(HLC)来解决。qSxednc

标准线轴型LiSOCl2电池提供日常所需的低背景电流,周期性高脉冲则由HLC实现。HLC还有特殊的“电池寿命终结时的电压状态”,也即它会在电池低电量时自动发出提醒。qSxednc

电池寿命类似跑步比赛

你的应用需要的是高速冲刺(更高的电流流速)还是长距离慢跑(更长的电池寿命)?这类似于需要爆发力的短跑或需要耐力的长跑(图1):qSxednc

高速电池:相当于冲刺上坡,可提供少量几安的高脉冲,电池寿命最长可达五年。qSxednc

中速电池:相当于在平缓的上坡跑道上跑步,可提供数百毫安的脉冲,电池寿命最长可达10年。qSxednc

超长寿命电池:相当于在几乎平坦但有很多小障碍的跑道上跑步,可提供大量数十毫安的脉冲,电池寿命可能达40年。qSxednc

超长寿命并具有周期性高速脉冲的电池:相当于在几乎平坦但有非常多大障碍的跑道上跑步,可提供最多几十安培的脉冲,电池寿命可能达40年。qSxednc

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图1:电池寿命类似于跑步比赛。(图片来源:Tadiran Batteries)qSxednc

在选择工业级锂原电池时,还有其他一些因素需要考虑,其中包括:工作模式下的电流消耗(以及脉冲大小、持续时间和频率)、待机或睡眠模式下的能耗(基极电流)、储存时间(储存期间正常的自放电会使电池容量降低)和温度(储存和现场工作期间的环境温度)。还要考虑的因素包括:设备的截止电压(当电池容量耗尽时,或在极端温度下,电压的下降可能使传感器无法工作),以及电池的年自放电率(有可能会接近日常使用的电流量)。qSxednc

短期测试无法预测长期结果

对于长期使用来说,哪怕自放电率较高,其影响在数年内可能都不会显现。使用理论方法预测实际的电池寿命,通常不足以显示当电池长期暴露在极端温度下时钝化效应的重要性。qSxednc

如果你的应用要求电池寿命长,就必须要求供应商提供完整的长期测试结果,并仔细评估对比他们的设备在相似负载和相似环境条件下的长期现场测试数据。了解电池以及应用要求有助于提高设备的性能并延长电池寿命,从而降低使用成本。qSxednc

(原文刊登于EDN姐妹网站Planet Analog,参考链接:Powering remote wireless devices: Know your battery and application,由Jenny Liao编译。)qSxednc

本文为《电子技术设计》2021年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里​​​​​​​qSxednc

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