Најдобра батерија за IoT уреди
Уредите од Интернет на нештата (IoT) сега се присутни во различни аспекти од животот: паметни домови, индустрија, прецизно земјоделство, здравство, па дури и паметни градови. Зад практичноста и автоматизацијата што се нудат, стои една компонента што често го одредува успехот на имплементацијата на IoT на терен: батеријата. IoT уредите генерално се потребни за долгорочно, стабилно и со минимално одржување - честопати поставени на тешко достапни места. Затоа, изборот на најдобра батерија за IoT уреди не е само избор на „најголем капацитет“, туку на онаа што најдобро одговара на профилот на моќност, работната средина и целниот животен век на уредот.
Зошто е клучен изборот на IoT батерии?
Повеќето IoT јазли работат по уникатен образец: тие спијат поголемиот дел од времето, а потоа се будат накратко за да измерат сензори и да пренесат податоци. Струјата за време на спиењето може да биде многу мала (микроампери), додека за време на радио преносите може нагло да се зголеми (десетици до стотици милиампери) за кратко време. Понатаму, IoT често се поврзува со протоколи за енергетска ефикасност како што се BLE, Zigbee, LoRaWAN, NB-IoT или LTE-M. Сите овие фактори ги прават карактеристиките на батеријата - како што се номиналниот напон, отпорноста на пренапони, самопразнењето и перформансите на екстремни температури - поважни од само бројот на mAh.
Најдобри критериуми за батерии за IoT
Пред да изберете тип на батерија, разгледајте ги следниве критериуми:
1. Густина на енергија и големина
IoT често бара мали, долготрајни батерии. Високата густина на енергија помага да се продолжи животниот век на батеријата без зголемување на димензиите.
2. Самопразнење
Уредите дизајнирани да траат 2-10 години на терен бараат батерии со ниски стапки на самопразнење.
3. Капацитет на врвна струја
На радио модулот му е потребна максимална струја за време на преносот. Дефектната батерија ќе предизвика уредот да се ресетира или да не може да пренесува податоци.
4. Работен температурен опсег
Надворешните сензори, индустриските уреди или ладните синџири бараат батерии кои остануваат стабилни и на ниски и на високи температури.
5. Хемиска безбедност и стабилност
За уреди поставени во домовите или јавните површини, безбедноста на батериите е од клучно значење - особено за хемикалиите склони кон термичко бегство.
6. Цена и достапност
На масовно производство, цената, леснотијата на набавка и стандардизацијата на големината (AA, AAA, ќелии за монети, торбичка) влијаат на вкупната цена на системот.
Видови батерии што најчесто се користат во IoT
1. Литиум тионил хлорид (Li-SOCl₂): Кралот за долгорочен IoT
За многу IoT апликации кои бараат повеќегодишен животен век без замена, Li-SOCl₂ често се смета за најдобар избор. Оваа батерија е примарна (неполнлива) литиумска батерија со многу висока густина на енергија и многу ниско самопразнење.
Вишок:
- Долг рок на траење (може да биде 10+ години)
– Многу ниско самопразнење
– Погодно за уреди со низок работен циклус (долг сон)
– Номиналниот напон е генерално 3,6V (поволно за модерната електроника)
Недостаток:
– Способноста за врвна струја е ограничена кај некои типови; честопати е потребен кондензатор или хибриден слојен кондензатор (HLC) за справување со преносни пренапони.
– Не може да се полни
– Цената е повисока од алкалната
Погодно за: паметни броила, LoRaWAN сензори базирани на батерии, уреди за следење на средства со долг век на траење, далечински индустриски уреди.
2. Литиум манган диоксид (Li-MnO₂): Стабилен и практичен
Li-MnO₂ е исто така примарна литиумска батерија, која најчесто се наоѓа во форма на паричка (CR2032) или одредени цилиндрични форми. Нејзиниот номинален напон е околу 3V, стабилен и релативно безбеден.
Вишок:
– Популарна и лесна за добивање форма на монета-ќелија
– Стабилен и безбеден за многу потреби
– Релативно ниско самопразнење
Недостаток:
– Ограничен капацитет на ќелии со паричка
– Врвната струја не е толку висока како кај одредени батерии што можат да се полнат, па затоа може да биде проблематична за радио уредите што се „расипнички“
Погодно за: BLE светилници, едноставни далечински сензори, уреди што емитуваат ретко и се енергетски ефикасни.
3. Литиум-јонски (Li-ion) и литиумски полимер (Li-Po): Идеални за IoT полнење
Ако IoT уредот може да се полни (преку кабел, докинг, соларни панели или собирање енергија), Li-ion/Li-Po батериите се силни кандидати поради нивната висока густина на енергија и способноста да испорачаат големи врвни струи.
Вишок:
– Може да се полни (од стотици до илјадници циклуси во зависност од условите)
– Висока врвна струја погодна за LTE-M/NB-IoT или Wi-Fi
– Многу опции за големини: 18650, торбичка, призматична
Недостаток:
– Потребно е коло за заштита и управување со полнење (BMS/интегрален чип на полначот)
– Самопразнењето и хемиската деградација стануваат поизразени со текот на времето
– Чувствителен на температура и преполнување
Погодно за: IoT камери, преносни портали, носливи здравствени уреди, тракери со периодично полнење.
4. Литиум железен фосфат (LiFePO₄): Побезбедна и подолготрајна батерија за повторно полнење
За апликации кои бараат поголема безбедност и долг век на траење, вреди да се земе предвид LiFePO₄. Неговиот номинален напон е околу 3,2 V по ќелија, стабилен е и е поотпорен на топлина.
Вишок:
– Многу стабилен и побезбеден
– Долг циклус на траење
– Релативно добри температурни перформанси
Недостаток:
– Помала густина на енергија од Li-ion/Li-Po
– Различни напони, понекогаш се потребни прилагодувања на дизајнот
Погодно за: индустриски IoT системи, мали уреди на сончева енергија, апликации што даваат приоритет на безбедноста.
5. Алкална (AA/AAA): Евтина и лесна, но не секогаш ефикасна
Алкалните батерии се лесно достапни и ефтини. Сепак, за долготрајна употреба на IoT, алкалните батерии често имаат пониски перформанси на самопразнење и врвна струја, особено на ниски температури.
Вишок:
– Евтино и широко достапно
– Погодно за прототипови или општи потрошувачки уреди
Недостаток:
– Напонот паѓа со употреба
– Не е идеално за повеќегодишен работен век без замена
– Перформансите драстично се намалуваат на ниски температури
Погодно за: едноставни уреди во затворен простор, пробни уреди или уреди каде што батеријата може лесно да се замени.
6. NiMH полнење: безбедна алтернатива, но со помал напон
NiMH (на пр. AA/AAA батерии што се полнат) се безбедни и релативно отпорни на злоупотреба, но нивниот напон е 1,2 V по ќелија, па затоа често се потребни повеќе ќелии во серија и/или конвертор за засилување на напонот.
Вишок:
– Може да се полни и релативно безбеден
– Погодно за уреди што често се полнат
Недостаток:
– Самопразнење (иако постојат варијанти со ниско самопразнење)
– Помала густина на енергија од литиумот
– Низок напон по ќелија
Погодно за: паметни домашни уреди што можат редовно да се полнат или едукативни и „направи сам“ уреди.
Општа препорака: „Најдобро“ зависи од сценариото
За да ви биде полесно, еве водич за избор врз основа на најчестите потреби:
1. Цел 5–10 години без замена на батеријата
Изберете Li-SOCl₂ (често во комбинација со кондензатор/HLC за врвни преносни оптоварувања).
2. Мали уреди, ултра ниска потрошувачка, ретко емитување (BLE светилници, едноставни сензори)
Изберете Li-MnO₂ батерија со паричка (CR2032/CR2450), со многу економичен дизајн на фирмверот.
3. Постои потреба од полнење (USB/соларно), потреба од доста често пренесување или користење на мобилна мрежа
Изберете Li-ion/Li-Po. Обезбедете соодветна заштита и дизајн за полнење.
4. Потребна е батерија што може да се полни и е безбедна и издржлива (индустриска, надворешна, жешка)
Размислете за LiFePO₄.
5. Цената е многу чувствителна и уредот е лесно достапен за замена на батеријата.
Алкалната може да биде соодветна, но направете тестирање на врвната струја и температурата.
Совети за дизајн за подолготрајни IoT батерии
Дури и најдобрата батерија може брзо да се испразни ако уредот не е правилно дизајниран. Еве неколку практични совети:
– Оптимизирајте го работниот циклус: зголемете го времето на спиење, минимизирајте го времето на активност.
– Користете ефикасен регулатор: изберете buck/boost со ниска струја во мирување.
– Намалување на преносот: испраќање податоци периодично и поретко или врз основа на настани.
– Користете кондензатори за наплив на струја: помага кога на радиото му е потребна врвна струја.
– Земете ја предвид температурата: ефективниот капацитет на батеријата може драстично да се намали на ниски температури.
– Тестирање во реалниот свет: само симулацијата не е доволна; извршете тестови за потрошувачка на струја за време на спиење и емитувајте.
Затворање
Најдобрата батерија за IoT уреди е онаа што најдобро одговара на нивните оперативни потреби: животен век, модели на потрошувачка на енергија, амбиентална температура и стратегии за одржување. За IoT уреди со долг век на траење кои се тешко достапни, Li-SOCl₂ е често претпочитаниот избор. За уреди што можат да се полнат со поголеми барања за енергија, Li-ion/Li-Po или LiFePO₄ можат да понудат голема флексибилност. Во меѓувреме, литиумските ќелии во облик на монета се погодни за мали, ултра-ефикасни уреди, а алкалните остануваат релевантни за едноставни, нискобуџетни апликации.
Со избирање на вистинската хемија на батеријата, а воедно и оптимизирање на хардверот и фирмверот, IoT уредите можат да работат подолго, постабилно и посигурно - намалувајќи ги оперативните трошоци, а воедно подобрувајќи го корисничкото искуство.
