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为远程无线设备 提供更长寿命的电池

来源:控制工程网2020.12.30阅读 581

  工业物联网(IIoT)为电池供电的设备创造了增长机会,这些设备的应用包括监控和数据采集(SCADA)、自动化过程控制、质量保证、资产管理、安全系统、机器对机器(M2M)接口以及其它。
  长寿命锂电池使某些低功率设备能够免维护运行长达40年CONTROL ENGINEERING China版权所有,从而降低了总体拥有成本。节能设计可延长电池寿命
  锂电池供电的IIoT
  工业物联网正在将无线连接性扩展到远程位置和具有挑战性的环境。一个典型的例子是现代油田www.cechina.cn,这些油田平均使用30,000个传感器,其中许多传感器可以使用各种低功耗通信协议进行联网,例如IEEE 802.15.4e、LoRA、WirelessHART、WiFi和蜂窝技术。
  在早期,工业自动化通常依赖于HART协议。许多支持HART的设备没有完全联网和集成,因为硬接线成本很高,估计每英尺100美元,而且对于偏远地区和极端环境来说,成本会成倍增加。远程无线技术的进步消除了这一障碍。
  如果远程无线设备需要较长的使用寿命,并且每天的能耗较低,则很可能由工业级的初级(不可充电)锂电池供电。如果设备平均每日消耗的电流,足以耗尽初级电池的容量,则它可能非常适合和锂离子可充电电池结合使用进行能量收集。

长寿命锂电池使某些低功率设备免维护运行长达40年,从而降低了总体拥有成本。图片来源:Tadiran Batteries

  工业电池的选择技巧
  要选择工业级锂电池,需要清楚在活动模式下消耗的电流量,其中包括大小、持续时间和脉冲频率。用户需要考虑存储时间、热环境和设备截止电压(它可能下降到非常低的程度,以至于传感器无法在极端环境下运行)。其它注意事项包括:
  ●可靠性:电池所处的位置是否使电池更换困难或不能实现?
  ●更长的使用寿命:如果电池的自放电率几乎等于或大于平均每日能量消耗,则可能需要大容量的电池。
  ●小型化:高容量和高能量密度的电池可节省空间。
  ●扩展的温度范围:极端温度会影响电池的自放电。
  ●更高的电压:使用更高电压的电池可能会减少电池的数量。
  ●拥有成本:拥有成本的计算必须考虑到将来更换电池的费用以及电池故障的风险。
  锂电池的种类由于其高的固有负电势(超过所有其它金属),锂化学剂通常对于长期部署来说是首选。作为最轻的非气态金属www.cechina.cn,锂在所有可用的电池化学中提供最高的比能量(每单位重量能量)和能量密度(每单位体积能量)。锂电池可在2.7至3.6V的正常工作电流电压(OCV)范围内工作。
  主要的锂化学成分包括二硫化锂铁(LiFeS2),二氧化锰锂(LiMNO2),亚硫酰氯锂(LiSOCl2)和锂金属氧化物化学成分。
  二硫化锂铁电池可以传递高脉冲来为相机闪光灯供电。它们的温度范围很窄(-20℃至60℃),每年的自放电率很高,并且密封圈可能会泄漏。
  二氧化锰锂电池通常为相机和玩具供电。一个紧凑的3V二氧化锰锂电池可替代两个1.5V碱性电池,可提供中等脉冲,但初始电压低,温度范围窄,自放电率高且密封件卷曲。
  亚硫酰氯锂电池采用线轴型和螺旋缠绕设计。 线轴型亚硫酰氯锂电池的年度自放电极低控制工程网版权所有,非常适合自动读表、M2M、SCADA、储罐液位监控、资产跟踪、环境传感器和其它远程应用。
  在所有锂电池中,线轴型亚硫酰氯锂电池具有最高的容量和最高的能量密度,并且年度自放电率低(某些电池每年为0.7%),最长可使用40年。这些电池的温度范围很广(-80℃至125℃),适用于冷链CONTROL ENGINEERING China版权所有,可监测-80℃下冷冻食品、药品、人体组织样本和移植器官的运输。这些电池还可以适应高温,包括医疗高压灭菌器(125℃)等。
  为双向无线设备供电
  远程无线应用越来越需要周期性的高脉冲来驱动高级双向无线通信。标准线轴型亚硫酰氯锂电池由于低倍率设计而不能提供高脉冲。它们可以与混合层电容器(HLC)结合,HLC的工作原理类似于可充电电池,以提供周期性的高脉冲。HLC具有寿命终止电压平稳期,可启用“电池电量不足”状态警报。
  超级电容器在消费产品中实现类似的功能,但通常不建议在工业应用中使用。
  能量收集需求增加
  如果在一个应用中平均每日电流消耗过大,以至于过早耗尽一次锂电池,可能就非常适合于能量收集。光伏面板是能量收集的最常见形式。
  举个例子,太阳能供电的跟踪设备,用于监视动物群的健康和状况。另一个例子是太阳能停车收费表,收费并确定开放的停车位以减少污染和交通拥堵。能量收集设备可以对锂离子电池充电,以存储收集的能量。
  消费级锂离子电池通常具有5年的有限使用寿命和500个充电周期,应用温度范围适中(0℃至40℃),没有高脉冲能力。
  长期部署时,通常需要使用工业级可充电锂离子电池,该类型电池使用寿命可长达20年,进行5,000次完全充电,并可应用于-40℃至85℃的扩展温度范围,且具有为双向无线通信传递周期性的高脉冲能力。此外,工业级锂离子电池还具有气密密封。

表:比较消费类和工业用锂离子可充电电池的性能。


  降低总拥有成本
  不同类型的锂离子电池性能可能会有所不同。线轴型亚硫酰氯锂电池的年自放电率因其制造方式而异。高质量的线轴型亚硫酰氯锂电池的年自放电率可低至0.7%,40年后仍可保持其原始容量的70%以上。较低质量的线轴型亚硫酰氯锂电池每年的自放电率可能高达3%,每10年会损失30%的可用容量,从而无法实现40年的电池寿命。
  在选择电池时,从经济的角度讲,建议选择寿命和该设备相同的电源,可以消除以后更换电池的需求,并使总拥有成本降至最低。
  但是,较高的自放电率的影响可能几年后才会显现,并且可能无法通过理论测试数据来证明。在评估供应商时,重要的是要求有完整记录的长期测试结果,以及在类似环境中运行的等效设备的客户评价和现场性能数据,以做出明智的决定。(作者:Sol Jacobs)
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