Аккумулятор для интернета вещей, предназначенный для экстремально холодной погоды

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

Литий-серные батареи на основе SOCl₂

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.