Большинство проектов в сфере Интернета вещей разрабатываются в офисах, тестируются в лабораториях, а затем отправляются в реальный мир, где температуры могут опускаться намного ниже тех, на которые рассчитана стандартная батарея. Умный водомер, зарытый под замерзшую дорогу в Сибири, датчик газопровода, подверженный воздействию арктических ветров, ошейник для отслеживания диких животных на волке в северной Канаде: все эти устройства объединяет одно бескомпромиссное требование. Их батарея должна работать без сбоев годами — в условиях, которые вывели бы из строя бытовой элемент питания за несколько дней.
Выбор неправильного типа батареи для развертывания IoT-устройств в условиях низких температур не только сокращает срок службы батареи, но и приводит к тому, что устройства незаметно отключаются именно в тот момент, когда они наиболее необходимы. В этом руководстве рассматривается все, что инженерам, разработчикам продукции и системным интеграторам необходимо знать о выборе, расчете размеров и развертывании батарей для IoT-устройств в условиях экстремально низких температур.
Почему холодная погода губительна для стандартных батарей
Батареи вырабатывают электричество посредством электрохимических реакций, и эти реакции резко замедляются при понижении температуры. Физические принципы просты: более низкие температуры снижают подвижность ионов в электролите, увеличивают внутреннее сопротивление и замедляют кинетику на поверхностях электродов. На практике это приводит к тому, что батарея, которая выдает свою полную номинальную емкость при 25°C, может выдавать только 50–701Т3Т от этой емкости при −20°C и всего лишь 20–401Т3Т при −40°C.
Для устройств IoT, работающих с фиксированным запасом энергии от батарей — где вся система была разработана с учетом 5-летнего или 10-летнего резерва энергии — даже снижение емкости батарей в условиях низких температур может сократить срок службы устройства на несколько лет. Хуже того, падение напряжения, сопровождающее разряд в условиях низких температур, может привести к перезагрузке микроконтроллеров и радиомодулей, вызывая скрытые пробелы в данных, которые могут быть обнаружены только при физическом осмотре устройства.
Что происходит с распространенными типами батарей в холодную погоду?
| Химия батарей | Номинальный диапазон | Емкость при −20°C | Емкость при −40 °C | Безопасно ли заряжать при температуре ниже 0°C? |
|---|---|---|---|---|
| Щелочной (LR6) | от −20°C до +55°C | ~40–50% | Практически непригодно для использования | Нет |
| Литий-ионный (18650) | от −20°C до +60°C | ~60–70% | ~20–30% | Нет — причиняет вред |
| LiFePO4 | от −20°C до +70°C | ~65–75% | ~25–35% | Не ниже −10°C |
| Li-MnO₂ (CR) | от −40°C до +70°C | ~80% | ~55–65% | Основной — не перезаряжаемый |
| Li-SOCl₂ (катушка) | от −60°C до +85°C | ~90–95% | ~75–85% | Основной — не перезаряжаемый |
| Li-SOCl₂ + HPC | от −40°C до +85°C | ~95% | ~85–90% | Гибридная система — высокопроизводительные вычисления обрабатывают импульсы |
Приведенные выше цифры ясно показывают, что для любых условий эксплуатации ниже −20 °C выбор очевиден: тионилхлорид лития (Li-SOCl₂) — единственное химическое соединение, обладающее необходимыми для серьезных промышленных приложений Интернета вещей характеристиками устойчивости к низким температурам, сроком хранения и плотностью энергии.
Золотой стандарт: литий-сернокислотные батареи Li-SOCl₂ для интернета вещей в условиях низких температур.
Литий-тионилхлоридные батареи надежно работают от от −60°C до +85°C — диапазон характеристик, недоступный ни одной другой широко распространенной технологии производства батарей. Их безводный (безводный) электролит не замерзает, их литий-металлический анод сохраняет реакционную способность при экстремально низких температурах, а скорость саморазряда менее 11 TP3T в год означает, что устройство, развернутое на станции мониторинга в замерзшей тундре, может работать 10–15 лет от одной ячейки.
Благодаря этим свойствам Li-SOCl₂ является стандартным источником питания для устройств Интернета вещей, работающих в условиях низких температур, в различных отраслях, включая:
- Интеллектуальные системы учета газа, воды и тепла в скандинавских и североамериканских климатических зонах.
- Дистанционные станции мониторинга погоды и окружающей среды
- Датчики целостности нефтегазопроводов в арктических регионах
- Системы отслеживания логистики холодовой цепи в рефрижераторных контейнерах
- В субарктических экосистемах используются GPS-ошейники для диких животных.
- Инфраструктура «умного города» (умные люки, пожарные гидранты, датчики парковки) в условиях холодного климата
- Датчики для измерения параметров сельскохозяйственной почвы и орошения в периоды зимнего покоя
Проблема пассивации
Литий-сернокислотные элементы (Li-SOCl₂) обладают одной хорошо известной характеристикой, которую инженеры должны учитывать при проектировании устройств для работы в условиях низких температур: пассивация. Когда элемент хранится или находится в режиме ожидания, на поверхности анода образуется тонкий слой хлорида лития. Этот слой отвечает за необычайно долгий срок хранения элемента — он предотвращает саморазряд, — но он также вызывает кратковременное падение напряжения при первом подключении элемента к нагрузке после периода бездействия.
При низких температурах пассивация проявляется сильнее. Ячейка, хранившаяся при −40°C, а затем немедленно подвергнутая воздействию высокого импульсного тока — например, для передачи пакета сотовых данных — может на долю секунды потерять напряжение, превышающее рабочее напряжение подключенной электроники. Это может привести к перезагрузке устройства или сбою передачи.
Решение заключается в следующем: Гибридный импульсный конденсатор (ГЭК) — и это важнейшее нововведение в проектировании систем электропитания для Интернета вещей в условиях низких температур за последнее десятилетие.
Решение для высокопроизводительных вычислений: гибридные импульсно-конденсаторные аккумуляторные системы.
Гибридный импульсный конденсатор объединяет первичный элемент Li-SOCl₂ с высокоемкостным суперконденсатором (электрохимическим двухслойным конденсатором) в одном интегрированном корпусе. Два компонента распределяют обязанности таким образом, чтобы устранить недостатки каждого из них:
- The Литий-SOCl₂ элемент обеспечивает базовый энергетический резервуар — высокую емкость, плоскую кривую напряжения, сверхнизкий саморазряд, устойчивость к экстремальным температурам.
- The суперконденсатор Справляется со всеми импульсными нагрузками с высоким током — получением GPS-сигнала, передачей данных по сотовой связи, радиоимпульсами NB-IoT или LTE-M, считыванием показаний датчиков. Поглощает и отдает ток гораздо быстрее, чем любая другая батарея.
В результате получилась энергетическая система, которая сочетает в себе плотность энергии и долговечность Li-SOCl₂ с возможностью импульсного тока суперконденсатора — и невосприимчива к падению напряжения пассивации, поскольку конденсатор реагирует мгновенно, пока батарея восстанавливает заряд.
Продукция суперконденсаторов
Как высокопроизводительные вычисления работают на практике
В спящем режиме (который может составлять 991–30% от срока службы устройства) литий-кислородный элемент медленно заряжает суперконденсатор. Когда устройство просыпается для снятия показаний и передачи данных, суперконденсатор подает необходимый импульсный ток (часто 1–3 А в течение 1–2 секунд для передачи по сотовой сети). Затем батарея незаметно заряжает конденсатор во время следующего спящего интервала. Этот цикл может повторяться сотни тысяч раз в течение всего срока службы устройства без деградации основного элемента.
Эта архитектура особенно эффективна в холодную погоду, поскольку суперконденсаторы сохраняют свою способность передавать заряд гораздо лучше, чем батареи, при низких температурах. Суперконденсатор, рассчитанный на температуру до −40°C, будет по-прежнему выдавать почти полный импульсный ток в таких условиях, даже когда стандартная батарея с трудом сможет поддерживать напряжение.
Основные характеристики, которые следует оценить при выборе аккумуляторов для IoT-устройств, предназначенных для использования в холодную погоду.
При выборе батареи или аккумуляторной системы для развертывания IoT-устройств в условиях низких температур наиболее важны следующие характеристики — и на что следует обращать внимание в каждом из них:
Диапазон рабочих температур (на выходе)
Это должно учитывать минимальную температуру, с которой устройство реально столкнется, — не только температуру окружающего воздуха, но и температуру внутри корпуса в месте установки. Устройство, закопанное в мерзлую землю, может испытывать другие температуры, чем устройство, установленное на поверхности, подверженной воздействию ветра. Всегда проектируйте с учетом наихудшего сценария, а не среднего.
Сохранение емкости при низких температурах
Указание в технической документации “диапазон рабочих температур −40°C” само по себе недостаточно. Авторитетные производители публикуют кривые снижения номинальной емкости, показывающие, какая часть номинальной емкости доступна при каждой температуре. Запросите и проверьте эти данные. Элемент, сохраняющий емкость 80% при −40°C, сильно отличается от элемента, сохраняющего емкость 40%.
Показатель самовыписки
При сроке службы 5 лет и более саморазряд батареи в течение периода хранения и начального этапа эксплуатации составляет значительную часть общего энергетического бюджета. Предпочтение отдается литий-сернокислотным элементам с годовым саморазрядом менее 11 Тл³Т. Некоторые низкокачественные элементы имеют годовой саморазряд 2–31 Тл³Т, что может привести к потере 20–301 Тл³Т емкости еще до полного ввода устройства в эксплуатацию.
Возможность импульсного тока
Определите пиковый ток потребления IoT-устройства во время передачи. Модули NB-IoT обычно требуют пикового тока 200–500 мА; модули сотовой связи LTE-M и 2G/4G могут требовать 1–3 А. Согласуйте это значение с номинальной импульсной мощностью батареи или высокопроизводительной вычислительной системы при минимальной рабочей температуре, а не только при комнатной температуре.
Стабильность напряжения в зависимости от температуры
Литий-сернокислотный аккумулятор Li-SOCl₂ поддерживает стабильное напряжение 3,6 В на протяжении большей части разряда и во всем диапазоне рабочих температур. Эта плоская кривая упрощает проектирование источников питания и гарантирует стабильное напряжение питания для стабилизаторов напряжения и радиомодулей на протяжении всего срока службы батареи — даже в условиях сильного холода.
Сертификаты
Для коммерческого внедрения IoT-технологий необходимо убедиться, что элементы питания имеют соответствующие сертификаты: IEC 60086-4 (первичные литиевые элементы), UN 38.3 (безопасность при транспортировке), UL и соответствие требованиям RoHS. Для применения в фармацевтической промышленности или пищевой промышленности, связанных с соблюдением холодовой цепи, может потребоваться дополнительное соответствие нормативным требованиям.
Выбор батарей для IoT-устройств в условиях низких температур в зависимости от области применения.
«Умные» счетчики (газ, вода, отопление)
Рекомендуется: Литий-хлористый элемент на катушке (серия ER, типоразмеры D или C)
В условиях холодного климата интеллектуальные счетчики обычно передают небольшие пакеты данных каждые несколько минут или часов. Потребление тока составляет микроампер в спящем режиме и несколько миллиампер во время передачи. Литий-сернокислотный элемент ER26500 (размер C) или ER34615 (размер D) может питать эти счетчики в течение 10–20 лет при температурах до −40°C. Конструкция с катушкой обеспечивает максимальную плотность энергии при таком низком энергопотреблении.
Отслеживание активов с помощью GPS (контейнеры, транспортные средства, дикие животные)
Рекомендуется: Клетка со спиральной намоткой Li-SOCl₂ + HPC или только клетка со спиральной намоткой
Для работы GPS-трекеров требуются периодические импульсы высокого тока для захвата спутников и передачи данных по сотовой сети. Спирально намотанные литий-серно-хлоридные элементы лучше справляются с импульсными нагрузками, чем элементы на катушке, а использование в паре с суперконденсатором HPC исключает просадки напряжения, связанные с пассивацией, при холодном запуске. Для ошейников диких животных в Арктике стандартными являются увеличенные блоки первичных элементов с целевым сроком службы 2–5 лет.
Мониторинг трубопроводов и инфраструктуры
Рекомендуется: Катушка Li-SOCl₂ или блок HPC, нестандартный форм-фактор
Дистанционные терминальные устройства (ДТУ) в нефтегазопроводах могут передавать данные с датчиков каждые несколько секунд или минут. В зависимости от частоты передачи может потребоваться либо высокоемкий аккумуляторный блок, либо система HPC. В некоторых трубопроводных ДТУ используются элементы питания ER34615 типоразмера D в многоэлементных последовательно-параллельных конфигурациях для достижения емкости 60–100 Ач на срок службы 5–10 лет.
Мониторинг окружающей среды и погоды
Рекомендуется: Солнечная энергия + LiFePO4 для круглогодичной зарядки или Li-SOCl₂ в качестве основного источника питания для участков с недостаточным количеством солнечной энергии зимой.
Станции с солнечными панелями могут подзаряжать литий-железо-фосфатные батареи в летние месяцы, продлевая срок их службы. Однако в высокоширотных регионах, где зимой солнечной активности мало в течение нескольких месяцев подряд, первичные литий-серно-хлоридные элементы более надежны, чем разряженная перезаряжаемая система. Гибридная конструкция — солнечная батарея в качестве основного источника и резервный литий-серно-хлоридный элемент — оптимальна для критически важных станций мониторинга.
Логистика холодовой цепи
Рекомендуется: Спирально намотанная литий-сульфатхлорида (ER14505 AA или ER26500 C-размера)
Фармацевтические системы слежения за температурой внутри рефрижераторных контейнеров работают непрерывно при температуре от −20°C до −25°C. Они должны передавать данные о температуре и GPS-координатах через стенку контейнера. Часто в качестве источников энергии используются спирально намотанные элементы питания типа АА, благодаря оптимальному сочетанию плотности энергии, импульсной способности и компактных размеров.
Расчет размеров батареи для IoT-устройств в условиях низких температур: практическая модель.
Правильный расчет емкости имеет решающее значение. Недостаточная емкость батареи приведет к отказу устройства в середине эксплуатации. Избыточная емкость приведет к дополнительным затратам и увеличению габаритов. Вот практическая схема:
Шаг 1: Рассчитайте среднее потребление тока
Разложите рабочий цикл устройства на состояния: ток в спящем режиме × продолжительность спящего режима + ток в активном режиме × продолжительность активного режима = средний ток за цикл. Например, трекер, который находится в спящем режиме с током 10 мкА в течение 3600 секунд, а затем просыпается и передает данные с током 500 мА в течение 2 секунд, имеет средний ток приблизительно 10,28 мкА за цикл — в основном в состоянии сна.
Шаг 2: Рассчитайте общее количество необходимой энергии.
Умножьте средний ток на продолжительность эксплуатации в часах. Добавьте запас 20–30% на снижение мощности в условиях низких температур, 10% на саморазряд в течение периода эксплуатации и 10% на потери при отключении по напряжению в конце срока службы. Общий запас: 40–50% выше рассчитанного минимума.
Шаг 3: Выберите емкость и химический состав ячейки.
Сопоставьте общую потребность в энергии с доступной емкостью элементов. Для Li-SOCl₂ распространены следующие типоразмеры: ER14250 (1/2 AA, 1,2 Ач), ER14505 (AA, 2,4 Ач), ER26500 (C, 9 Ач) и ER34615 (D, 19 Ач). Используйте один элемент типа D или многоэлементный блок в зависимости от энергетического бюджета.
Шаг 4: Проверка возможности импульсной обработки
Убедитесь, что выбранный элемент (или система HPC) способен обеспечить требуемый пиковый ток при минимальной рабочей температуре без падения напряжения ниже минимального рабочего напряжения схемы. В противном случае выберите элемент со спиральной намоткой и более высокой импульсной способностью или добавьте суперконденсатор HPC.
Шаг 5: Проверка в реальных условиях
Перед началом серийного производства протестируйте собранные устройства в температурной камере при минимальной ожидаемой температуре эксплуатации. Проведите полный цикл работы — спящий режим, пробуждение, передача — и убедитесь, что напряжение остается в пределах допустимых значений на протяжении всего рабочего цикла.
Конструкция корпуса и тепловая схема для устройств Интернета вещей в условиях низких температур
Даже самая лучшая в мире батарея может работать неэффективно, если конструкция корпуса этому препятствует. Корпуса для IoT-устройств, предназначенных для использования в условиях низких температур, должны проектироваться с учетом следующих принципов:
- Изолируйте батарейный отсек. от прямого контакта с холодными поверхностями с использованием пенополиуретана с закрытыми ячейками (Armaflex, Ensolite или аналогичный). Даже несколько градусов термозащиты могут существенно улучшить устойчивость к низким температурам.
- Используйте собственное тепло устройства. Микроконтроллер, радиомодуль и даже реакция разряда батареи выделяют небольшое количество тепла. Хорошо изолированный корпус удерживает это тепло и поддерживает внутреннюю температуру выше окружающей — иногда на 5–15 °C, что может значительно улучшить работу батареи.
- Избегайте материалов, которые становятся хрупкими при сильном холоде. Стандартный АБС-пластик и многие прокладочные материалы механически разрушаются при температуре ниже −30°C. Используйте поликарбонатные корпуса и силиконовые прокладки, рассчитанные на весь диапазон рабочих температур.
- Герметичная герметизация предотвращает образование конденсата. Перепады температур (теплые дни, морозные ночи) могут привести к проникновению влаги в негерметичные корпуса и ее конденсации на электронных компонентах и клеммах батарей, вызывая коррозию и выход из строя. Минимальный стандарт герметизации для использования на открытом воздухе в условиях низких температур — IP67 или IP68.
Распространенные ошибки при проектировании батарей для IoT-устройств, работающих в условиях низких температур.
- Проведение испытаний возможно только при комнатной температуре. Лабораторные испытания при 25°C ничего не говорят о характеристиках при −40°C. Всегда включайте испытания при низких температурах в процесс квалификации.
- Использование ячеек на катушках для приложений с интенсивным импульсным режимом работы. Литий-серные элементы на катушке (Bobbin Li-SOCl₂) не рассчитаны на высокие импульсные токи современных сотовых IoT-модулей. Использование их без высокопроизводительного вычислительного модуля (HPC) приводит к падению напряжения во время передачи.
- Пассивацию после хранения игнорировать. Устройства, которые хранятся на складе 6–12 месяцев до начала эксплуатации, имеют пассивированные элементы. Эксплуатация в условиях низких температур усугубляет этот эффект. Для компенсации пассивации при первом использовании следует предусмотреть в конструкции “импульс формирования” или буфер на основе суперконденсатора.
- Недооценка саморазряда в общем энергетическом балансе. При 15-летней эксплуатации с элементом, саморазряжающимся со скоростью 11 тонн в год, номинальная емкость снижается на 151 тонну до приложения нагрузки. Учитывайте это при расчетах параметров.
- Использование несертифицированных клеток в качестве исходных материалов. На рынке литий-сернохлоридных аккумуляторов (Li-SOCl₂) встречаются поддельные изделия, не соответствующие заявленным характеристикам. Поддельные элементы питания могут иметь значительно более высокий саморазряд, меньшую емкость при низких температурах или недостатки в области безопасности. Всегда приобретайте продукцию у сертифицированных производителей, предоставляющих подтвержденные данные испытаний.
Краткое содержание: Выбор подходящей батареи для IoT-устройств в условиях низких температур
| Приложение | Минимальная температура | Рекомендуемое решение | Ожидаемый срок службы |
|---|---|---|---|
| Умный газовый/водяной счетчик | −40°C | Катушка Li-SOCl₂ (ER26500 / ER34615) | 10–20 лет |
| GPS-трекер активов | −40°C | Спиральная намотка Li-SOCl₂ + HPC | 3–7 лет |
| Ошейник для диких животных Арктики | −50°C | Специально разработанный Li-SOCl₂ аккумуляторный блок, сверхнизкий рабочий цикл. | 2–5 лет |
| Трубопровод RTU | −40°C | Литий-ионный аккумуляторный блок (D-элемент) или HPC | 5–10 лет |
| регистратор холодовой цепи | −25°C | Спирально навитый Li-SOCl₂ (ER14505) | 2–5 лет |
| Метеостанция | −40°C | Солнечная энергия + первичная солнечная энергия LiFePO4 или Li-SOCl₂ | 5–15 лет |
| датчик умного города | −30°C | Катушка Li-SOCl₂ + HPC (NB-IoT) | 10–15 лет |
Заключительные мысли
Экстремальный холод — одна из самых сложных сред, с которыми может столкнуться любое IoT-устройство, и выбор батареи является наиболее важным решением при проектировании системы электропитания. Неправильно выбранная батарея выйдет из строя незаметно, лишив ваши датчики доступа к данным, возможности отслеживания активов или системы мониторинга безопасности в условиях, когда надежные данные имеют первостепенное значение.
Химия тионилхлорида лития, особенно в сочетании с гибридным импульсным конденсатором для приложений с высокой интенсивностью импульсных нагрузок, обеспечивает единственную надежную основу для многолетних развертываний IoT в условиях низких и экстремально низких температур. Это не самый дешевый вариант на начальном этапе, но если учесть стоимость выездов специалистов по техническому обслуживанию, замены устройств и потери данных в случае сбоя развертывания, то он почти всегда оказывается наиболее экономичным выбором на протяжении всего срока службы системы.
Разрабатывайте батареи с учетом самых экстремальных температур, с которыми может столкнуться ваше устройство. Проверяйте параметры в реальных условиях холодной камеры. Покупайте у сертифицированных производителей. И рассчитывайте размер батареи с достаточным запасом, чтобы учесть снижение мощности при низких температурах, саморазряд и непредвиденные обстоятельства.
В условиях сильного мороза второго шанса починить почти исправную систему электроснабжения не будет.