為遠端無線裝置選擇適合的電池

作者 : Sol Jacobs,Tadiran Batteries副總裁兼總經理

根據具體應用需求搭配合適的化學電池,有助於為以電池供電的遠端無線裝置實現最佳化性能…

工業物聯網(IIoT)的連網裝置正逐漸發展,形成真正以無線監控那些難以接近或脫離網電網而未通電的環境。需要電池供電的工業遠端無線裝置應用主要有兩種。

第一種應用的平均能耗(包括背景電流和脈衝)為微安級(μA),通常由工業級的一次性鋰電池(不可充電)供電。另一種應用的平均能耗(包括背景電流和脈衝)為毫安培級,通常由能量採集裝置和鋰離子充電電池供電。

各種一次性(不可充電)電池

絕大多數的遠端無線裝置都由一次性電池供電。很多化學物質,包括鋰二硫化亞鐵(LiFeS2)、亞錳酸鋰(LiMnO2)、亞硫醯氯鋰(LiSOCl2)和鋰金屬氧化物,都可以用來製作電池(1)。

1:電池類型比較。(資料來源:TadiranBatteries)

鋰電池因其固有的高負電位(高於其他所有金屬)而成為工業無線應用的首選。作為最輕的非氣態金屬,鋰電池與其他化學電池相比有著最高的比能(每單位重量的能量)和能量密度(每單位體積的能量)。鋰電池具有2.7至3.6V的正常工作電流電壓,其所使用的化學物質是非水性的,因此在極低溫度下也不太可能凍結。

線軸型LiSOCl2電池主要適合在極端環境中長期使用,例如:自動讀表系統(AMR/AMI)、機器對機器(M2M)、監督控制與資料採集(SCADA)、儲罐液位監測、資產追蹤和環境感測等等。線軸型LiSOCl2電池使用的是容量最高、能量密度最大的化學物質,擁有最低的每年自放電率(個別電池的每年自放電率低至1%以下),電池壽命長達40年。這種電池的工作溫度範圍最廣(-80℃至125℃),適合在人類難以接近的位置和極端環境中使用。

哪些因素影響電池自放電

所有電池都有一定程度的自放電,即使在電池斷開或存放未使用時,電池內的化學反應也會消耗能量,所以自放電是一種非常自然的現象。自放電受電池當前的放電電位、原材料的純度和品質以及鈍化效應(passivation effect)的影響。

鈍化效應是LiSOCl2電池獨有的,這是由於在鋰陽極表面形成氯化鋰(LiCl)薄膜,因而限制電池內的化學反應。當針對電池加上負載時,鈍化層會導致初始的高電阻和電壓暫時性下降,直到放電反應開始耗散LiCl層——這個過程在每次移除負載時都會重複。

鈍化效應對電池的很多方面都有影響,包括電流容量、儲存時間、儲存溫度、放電溫度和放電前的條件等。相較於電池在全新狀況時,從電量未滿的電池上移除負載會增加鈍化程度。鈍化可以延長電池壽命,但過度鈍化又會限制能量傳輸。

其他影響電池自放電的因素包括電池的電流放電電位、電池的製造方法和原材料的品質。例如,高品質線軸型LiSOCl2電池的自放電率可低至每年0.7%,而且在40年後仍可保持70%的原始電池容量。相形之下,品質較低的線軸型LiSOCl2電池每年的自放電率可高達3%,而且每10年會損失30%的電池容量,所以根本無法達到40年的電池壽命。

如何實現高脈衝應用

越來越多的無線裝置平時都處在「待機」狀態,不怎麼消耗電流,但需要週期性的高脈衝來為雙向無線通訊供電。

標準線軸型LiSOCl2電池的放電率低,所以無法提供高脈衝,這一問題可以透過增加專利的混合層電容器(HLC)來解決。

標準線軸型LiSOCl2電池提供日常所需的低背景電流,週期性高脈衝則由HLC實現。專利的HLC還配備特殊的「電池壽命終結」(EOL)時的電壓狀態,會在電池低電量時自動發出提醒。

電池壽命就像一場賽跑

你的應用需要的是高速衝刺(更高的電流流速)還是長距離慢跑(更長的電池壽命)?這類似於需要爆發力的短跑或需要耐力的馬拉松賽跑:

  • 高速電池:相當於衝刺上坡,可提供少量的幾安培(A)高脈衝,電池壽命最長可達五年。
  • 中速電池:相當於跑在平緩的上坡道,可提供數百毫安培(mA)的脈衝,電池壽命最長可達10年。
  • 超長壽命電池:相當於在幾乎平坦但有很多小障礙的跑道上跑步,可提供大量數十mA的脈衝,電池壽命可能達40年。
  • 超長壽命並具有週期性高速脈衝的電池:相當於跑在幾乎平坦但有非常多大障礙的跑道上,可提供最多幾十安培的脈衝,電池壽命可能達40年。

batteries for remote wireless devices

1:電池壽命就像是一場賽跑。(圖片來源:TadiranBatteries)

在選擇工業級一次性鋰電池時,還有其他一些因素需要考慮,包括工作模式下的電流消耗(以及脈衝大小、持續時間和頻率)、待機或睡眠模式下的能耗(基極電流)、儲存時間(儲存期間正常的自放電會使電池容量降低)以及預期溫度(儲存和現場工作期間的環境溫度)。其他還要考慮的因素包括裝置的截止電壓(當電池容量耗盡或在極端溫度時,電壓可能降至感測器無法運作的低點),以及電池的年自放電率(可能會接近日常使用的電流量)。

短期測試無法預測長期結果

對於長期使用來說,哪怕自放電率較高,其影響在數年內可能都不會顯現。因此,使用理論方法預測實際的電池壽命,通常不足以反映電池長期暴露在極端溫度時的鈍化效應及其重要性。

如果你的應用要求更長效的電池,就必須要求供應商提供完整的長期測試結果,並仔細評估其裝置在類似負載和環境條件下的長期現場測試資料。瞭解電池以及應用要求有助於提高裝置的性能並延長電池壽命,從而降低整體擁有成本。

(參考原文:Powering remote wireless devices: Know your battery and application,by Sol Jacobs)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年9月號雜誌

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