Лучшая батарея для IoT-устройств
Устройства Интернета вещей (IoT) сегодня присутствуют в самых разных сферах жизни: умные дома, промышленность, точное земледелие, здравоохранение и даже умные города. За удобством и автоматизацией, которые они обеспечивают, стоит один компонент, часто определяющий успех внедрения IoT на практике: батарея. Устройства IoT, как правило, должны работать долго, стабильно и с минимальным обслуживанием — часто размещаясь в труднодоступных местах. Поэтому выбор лучшей батареи для устройств IoT — это не просто выбор «наибольшей емкости», а выбор той, которая наилучшим образом соответствует потреблению энергии, условиям эксплуатации и целевому сроку службы устройства.
Почему выбор батарей для IoT-устройств имеет решающее значение?
Большинство IoT-узлов работают по уникальному принципу: большую часть времени они находятся в спящем режиме, а затем ненадолго просыпаются, чтобы измерять показания датчиков и передавать данные. Ток во время сна может быть очень малым (микроамперы), в то время как во время радиопередачи он может резко возрастать (от десятков до сотен миллиампер) в течение короткого времени. Кроме того, IoT часто используется в паре с энергоэффективными протоколами, такими как BLE, Zigbee, LoRaWAN, NB-IoT или LTE-M. Все эти факторы делают характеристики батареи — такие как номинальное напряжение, устойчивость к перенапряжениям, саморазряд и производительность при экстремальных температурах — более важными, чем просто значение мАч.
Критерии выбора оптимального аккумулятора для IoT
Перед выбором типа батареи следует учитывать следующие критерии:
1. Плотность энергии и размер
Для устройств Интернета вещей часто требуются небольшие, долговечные батареи. Высокая плотность энергии помогает продлить срок службы батареи без увеличения габаритов.
2. Самостоятельная выписка
Для устройств, рассчитанных на 2–10 лет эксплуатации в полевых условиях, требуются батареи с низким уровнем саморазряда.
3. Максимальная пропускная способность по току
Радиомодулю требуется максимальный ток во время передачи. Неисправная батарея приведет к перезагрузке устройства или прекращению передачи данных.
4. Диапазон рабочих температур
Для датчиков наружного применения, промышленных устройств или холодильных цепей требуются батареи, сохраняющие стабильность как при низких, так и при высоких температурах.
5. Химическая безопасность и стабильность
Для устройств, размещаемых в домах или общественных местах, безопасность батарей имеет решающее значение, особенно для химических составов, склонных к тепловому разгону.
6. Стоимость и доступность
В условиях массового производства цена, простота приобретения и стандартизация размеров (AA, AAA, батарейки-таблетки, в пакетиках) влияют на общую стоимость системы.
Типы батарей, обычно используемых в Интернете вещей
1. Тионилхлорид лития (Li-SOCl₂): лучшее решение для долговременного интернета вещей.
Для многих приложений Интернета вещей, требующих многолетнего срока службы без замены, литий-сернохлорид-хлорид (Li-SOCl₂) часто считается наилучшим выбором. Эта батарея представляет собой первичную (неперезаряжаемую) литиевую батарею с очень высокой плотностью энергии и очень низким саморазрядом.
Kelebihan:
– Длительный срок хранения (может составлять более 10 лет)
– Очень низкий саморазряд
– Подходит для устройств с низкой интенсивностью работы (длительный спящий режим)
– Номинальное напряжение обычно составляет 3,6 В (что выгодно для современной электроники).
Кекуранган:
– У некоторых типов конденсаторов ограничена максимальная допустимая сила тока; часто для защиты от импульсных перенапряжений требуется конденсатор или гибридный конденсатор (ГХК).
– Не подлежит заправке
– Цена выше, чем у щелочных растворов.
Подходит для: интеллектуальных счетчиков, датчиков LoRaWAN с батарейным питанием, устройств отслеживания активов с длительным сроком службы, удаленных промышленных устройств.
2. Диоксид лития-марганца (Li-MnO₂): стабильный и практичный.
Литий-марганцево-оксидный (Li-MnO₂) также является первичной литиевой батареей, обычно встречающейся в виде дисковых элементов (CR2032) или некоторых цилиндрических форм. Ее номинальное напряжение составляет около 3 В, она стабильна и относительно безопасна.
Kelebihan:
– Популярная и легкодоступная форма батарейки-таблетки.
– Стабильный и безопасный для различных нужд
– Относительно низкий саморазряд
Кекуранган:
– Ограниченная емкость батарейки-таблетки
– Пиковый ток не такой высокий, как у некоторых перезаряжаемых батарей, поэтому это может быть проблематично для радиостанций, которые расходуют энергию неэффективно.
Подходит для: BLE-маяков, простых дистанционных датчиков, устройств, которые передают данные нечасто и отличаются энергоэффективностью.
3. Литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы: идеально подходят для перезаряжаемых устройств Интернета вещей.
Если устройство IoT можно заряжать (через кабель, док-станцию, солнечные панели или системы сбора энергии), то литий-ионные/литий-полимерные аккумуляторы являются перспективными вариантами благодаря высокой плотности энергии и способности выдавать большие пиковые токи.
Kelebihan:
– Перезаряжаемый (от сотен до тысяч циклов зарядки в зависимости от условий эксплуатации)
– Высокий пиковый ток, подходящий для LTE-M/NB-IoT или Wi-Fi.
– Множество вариантов размеров: 18650, чехол, призматический
Кекуранган:
– Требуется схема защиты и управления зарядкой (BMS/микросхема зарядного устройства).
– Саморазряд и химическая деградация со временем становятся более выраженными.
– Чувствителен к температуре и перезарядке
Подходит для: IoT-камер, портативных шлюзов, носимых медицинских устройств, трекеров с периодической зарядкой.
4. Литий-железо-фосфатный (LiFePO₄) аккумулятор: более безопасный и долговечный перезаряжаемый аккумулятор.
Для применений, требующих повышенной безопасности и длительного срока службы, стоит рассмотреть LiFePO₄. Его номинальное напряжение составляет около 3,2 В на ячейку, он стабилен и более термостойкий.
Kelebihan:
– Очень стабильный и более безопасный
– Длительный срок службы
– Относительно хорошие температурные характеристики
Кекуранган:
– Более низкая плотность энергии, чем у литий-ионных/литий-полимерных аккумуляторов.
– При разных напряжениях иногда требуется корректировка конструкции.
Подходит для: промышленных IoT-систем, небольших устройств, работающих на солнечной энергии, и приложений, где приоритет отдается безопасности.
5. Щелочные (AA/AAA): дешевые и простые в использовании, но не всегда эффективные.
Щелочные батарейки легко доступны и недороги. Однако для длительного использования в устройствах Интернета вещей щелочные батарейки часто обладают более низким саморазрядом и пиковым током, особенно при низких температурах.
Kelebihan:
– Дешево и широко доступно
– Подходит для прототипов или обычных потребительских устройств.
Кекуранган:
– Падение напряжения при использовании
– Не подходит для многолетней эксплуатации без замены.
– Производительность резко снижается при низких температурах
Подходит для: простых устройств в помещениях, испытаний или устройств, в которых батарею можно легко заменить.
6. Перезаряжаемые NiMH аккумуляторы: безопасная альтернатива, но с более низким напряжением.
NiMH (например, перезаряжаемые батарейки типа AA/AAA) безопасны и относительно устойчивы к неправильному использованию, но их напряжение составляет 1,2 В на элемент, поэтому часто требуется несколько элементов, соединенных последовательно, и/или повышающий преобразователь.
Kelebihan:
– Перезаряжаемый и относительно безопасный
– Подходит для устройств, которые часто заряжаются.
Кекуранган:
– Самостоятельная выписка (хотя существуют и варианты с низкой степенью самостоятельной выписки)
– Более низкая плотность энергии, чем у лития.
– Низкое напряжение на ячейку
Подходит для: устройств умного дома, которые можно регулярно подзаряжать, а также для образовательных и самодельных устройств.
Общая рекомендация: «Лучший» вариант зависит от конкретной ситуации.
Чтобы упростить задачу, предлагаем руководство по выбору, основанное на наиболее распространенных потребностях:
1. Целевой срок службы батареи: 5–10 лет без замены.
Выберите Li-SOCl₂ (часто в сочетании с конденсатором/HLC для пиковых нагрузок передачи).
2. Малые устройства, сверхнизкое энергопотребление, нечастая передача данных (BLE-маяки, простые датчики)
Выберите литий-марганцево-оксидный батарейный блок (CR2032/CR2450) с очень экономичной прошивкой.
3. Предусмотрена подзарядка (USB/солнечная энергия), требуется довольно частая передача данных или использование сотовой сети.
Выбирайте литий-ионные/литий-полимерные аккумуляторы. Обеспечьте надлежащую защиту и конструкцию системы зарядки.
4. Необходима перезаряжаемая батарея, безопасная и долговечная (для промышленного применения, использования на открытом воздухе, в условиях высоких температур).
Рассмотрим LiFePO₄.
5. Стоимость очень важна, и устройство легко доступно для замены батареи.
Щелочной раствор может быть достаточным, но необходимо провести измерения пикового тока и температуры.
Советы по проектированию батарей для устройств Интернета вещей, обеспечивающие более длительный срок службы
Даже самая лучшая батарея может быстро разрядиться, если устройство спроектировано неправильно. Вот несколько практических советов:
– Оптимизация рабочего цикла: увеличение времени сна, минимизация времени активной работы.
– Используйте эффективный стабилизатор: выберите повышающе-понижающий преобразователь с низким током покоя.
– Сократить объем передаваемых данных: отправлять данные периодически, но реже, или по мере возникновения событий.
– Используйте конденсаторы для защиты от пиковых нагрузок: это помогает, когда радиоприемнику требуется пиковый ток.
– Учитывайте температуру: при низких температурах эффективная емкость батареи может резко снизиться.
– Тестирование в реальных условиях: одной лишь симуляции недостаточно; необходимо проводить тесты потребления тока в спящем режиме и передавать данные.
обложка
Наилучшая батарея для IoT-устройств — это та, которая наилучшим образом соответствует их эксплуатационным потребностям: сроку службы, характеру энергопотребления, температуре окружающей среды и стратегиям обслуживания. Для долгоживущих IoT-устройств, к которым трудно получить доступ, часто предпочтительным выбором является Li-SOCl₂. Для перезаряжаемых устройств с более высокими требованиями к мощности большую гибкость могут обеспечить литий-ионные/литий-полимерные или литий-железофосфатные батареи. Между тем, литиевые дисковые элементы подходят для небольших, сверхэффективных устройств, а щелочные остаются актуальными для простых и недорогих применений.
Благодаря выбору оптимального химического состава батарей и оптимизации аппаратного и программного обеспечения, устройства IoT могут работать дольше, стабильнее и надежнее, что снижает эксплуатационные расходы и улучшает пользовательский опыт.
