Mniejszy współczynnik szybkości rozładowywania się baterii prowadzi do wydłużenia czasu jej eksploatacji oraz zmniejszenia kosztów posiadania i zachowania w użytku odległych, rozproszonych urządzeń z komunikacją bezprzewodową.
Technologia Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) stworzyła wiele okazji do wykorzystania urządzeń z zasilaniem bateryjnym/akumulatorowym w takich aplikacjach, jak zautomatyzowane sterowanie procesami technologicznymi i produkcji (SCADA), zapewnienie jakości, zarządzanie zasobami, systemy bezpieczeństwa, interfejsy komunikacji poziomu obiektowego M2M (maszyna z maszyną) oraz innych.
Urządzenia IIoT, w szczególności rozproszone i korzystające z komunikacji bezprzewodowej, wymagają jednak stosowania baterii o długim okresie eksploatacji (long-life). Baterie takie pozwalają na redukcję całkowitych kosztów posiadania (TCO), umożliwiając pewnym urządzeniom o niskim poborze energii bezobsługowe działanie nawet do 40 lat. Wydłużanie czasu eksploatacji baterii obejmuje zastosowanie różnych technik oszczędzania energii, a jednym z ważniejszych aspektów jest tu stopień samorozładowania w ciągu roku.
Urządzenia IIoT zasilane bateriami i akumulatorami litowymi
Technologia IIoT rozszerza obecnie obszar aplikacyjny bezprzewodowych połączeń sieciowych na odległe lokalizacje oraz wymagające środowiska. Jednym z typowych przykładów jest nowoczesna platforma wiertnicza, która wykorzystuje przeciętnie 30 000 czujników. Wiele z nich może być podłączonych do sieci komunikacji i transmisji danych przy użyciu różnych protokołów komunikacyjnych do urządzeń o niskim poborze energii, takich jak IEEE 802.15.4e, LoRA, WirelessHART, WiFi oraz technologie łączności komórkowej.
Dawniej automatyka przemysłowa opierała się często na protokole HART. Wiele urządzeń wykorzystujących ten protokół nie było w pełni podłączonych do sieci oraz zintegrowanych ze względu na wysokie koszty połączeń przewodowych, szacowanych z grubsza na ok. 330 USD/m (100 USD/stopę). Koszty te rosły wykładniczo w przypadku odległych lokalizacji oraz ekstremalnych środowisk. Jednak postęp dokonujący się w rozwoju technologii połączeń bezprzewodowych na dużą odległość stopniowo eliminował tę przeszkodę.
Jeśli odległe urządzenie sieciowe z komunikacją bezprzewodową wymaga długiego okresu eksploatacji oraz charakteryzuje się niskim zużyciem energii dziennie (pobiera prąd mierzony w mikroamperach), to prawdopodobnie jest ono zasilane przemysłowym litowym ogniwem pierwotnym (czyli nieładowalnym). Jeśli natomiast urządzenie to pobiera średnio dziennie prąd rzędu kilkunastu miliamperów, który może wyczerpać ogniwo pierwotne nawet w ciągu jednego dnia, to do jego zasilania można zastosować kombinację technologii pozyskiwania energii elektrycznej ze źródeł energii wolnodostępnej (energy harvesting) oraz akumulatora litowo-jonowego (Li-ion).
Wskazówki dla doboru baterii i akumulatorów przemysłowych
Dobór przemysłowej baterii litowej obejmuje analizę techniczną, która uwzględnia takie czynniki, jak pobór prądu w stanie aktywnym, a zatem wartość tego prądu, czas przepływu oraz częstotliwość impulsów prądowych. Użytkownicy muszą także wziąć pod uwagę czas przechowywania, środowisko i warunki cieplne oraz napięcie odcięcia zasilania urządzenia, ponieważ napięcie to może spaść do wartości zbyt niskiej, aby czujnik bezprzewodowy działał w ekstremalnie trudnym środowisku.
Inne aspekty, które należy uwzględnić:
Niezawodność ? czy lokalizacja urządzenia czyni wymianę baterii trudną lub niemożliwą?
Długi czas działania ? jeśli szybkość samowyładowania baterii jest prawie taka sama lub większa od przeciętnego dziennego zużycia energii przez zasilane urządzenie, to wymagane jest zastosowanie baterii o dużej pojemności.
Miniaturyzacja ? baterie o dużej pojemności i dużej gęstości energii mogą sprawdzić się w sytuacjach, gdy wymagane są małe gabaryty urządzeń.
Rozszerzony zakres temperatur pracy
? ekstremalne wartości temperatur mogą wpłynąć na szybkość samorozładowania baterii.
Wyższe napięcie ? wykorzystanie baterii o wyższym napięciu pozwoli na zastosowanie mniejszej liczby ogniw.
Koszty eksploatacji ? obliczenia kosztów posiadania muszą uwzględnić wydatki związane z przyszłymi wymianami baterii oraz ryzyko uszkodzenia baterii.
Rodzaje baterii litowych
W bateriach o długim okresie eksploatacji preferowane są związki litu ze względu na jego niski potencjał standardowy, który jest najniższy spośród wszystkich metali. Jako najlżejszy metal, lit oferuje bateriom największą energię właściwą (energię na jednostkę masy) oraz gęstość energii (energię na jednostkę objętości) ze wszystkich rodzajów materiałów w dostępnych bateriach. Ogniwa litowe pracują w normalnym zakresie napięć bez obciążenia (operating current voltage ? OCV) od 2,7 do 3,6 V.
Dostępne są liczne rodzaje baterii litowych, w tym litowo-żelazowe (LiFeS2), litowo-manganowe (LiMNO2), litowo-chlorkowo-tionylowe (LiSOCl2) oraz litowo-metalowo-tlenkowe (LMO).
Ogniwa litowo-żelazowe (LiFeS2) są często używane do zasilania fotograficznych lamp błyskowych, które pobierają duże impulsy prądowe. Ogniwa te cechują się wąskim zakresem temperatur pracy (-20 do 60°C), wysokim stopniem samorozładowania w ciągu roku oraz od strony konstrukcyjnej zagniatanym uszczelnieniem, które może przeciekać.
Ogniwa litowo-manganowe (LiMNO2) są używane do zasilania aparatów fotograficznych i zabawek. Jedna oszczędzająca przestrzeń bateria LiMNO2 o napięciu 3 V może zastąpić dwie baterie alkaliczne o napięciu 1,5 V, dostarczając impulsy prądowe o umiarkowanej wielkości. Jednak jej wadami są: niskie napięcie początkowe, wąski zakres temperatur pracy, duży stopień samorozładowania oraz zaciskane uszczelnienia.
Baterie litowo-chlorkowo-tionylowe (LiSOCl2) są produkowane jako dwa typy: szpulkowe (anoda litowa wykonana jest w postaci szpulki) i spiralne (anoda litowa wykonana jest w postaci nawiniętej spirali). Baterie szpulkowe LiSOCl2 charakteryzują się bardzo małym stopniem samorozładowania w ciągu roku, co sprawia, że są one idealnym wyborem do takich aplikacji, jak: automatyczny odczyt wskazań mierników (AMR), połączenia maszyn z maszynami (M2M), systemy sterowania
SCADA, monitorowanie poziomu płynu w zbiornikach, śledzenie zasobów, czujniki warunków środowiskowych i innych rozproszonych pomiarów zdalnych.
Baterie szpulkowe LiSOCl2 charakteryzują się największą pojemnością i największą gęstością energii ze wszystkich ogniw litowych oraz bardzo niskim stopniem samorozładowania (w przypadku niektórych ogniw 0,7% rocznie), co pozwala na uzyskanie żywotności nawet 40 lat. Ogniwa te mogą pracować w szerokim zakresie temperatur otoczenia (-80 do 125°C), co sprawia, że mogą one być wykorzystywane w łańcuchach chłodniczych do monitorowania transportu mrożonych artykułów spożywczych, leków, próbek tkanek oraz organów do transplantacji w temperaturze -80°C. Baterie tego typu mogą być także wykorzystywane w aplikacjach związanych z wysokimi temperaturami, takich jak np. sterylizacja sprzętu medycznego w autoklawach (125°C).
Zasilanie urządzeń realizujących dwukierunkową komunikację bezprzewodową
Aplikacje związane z bezprzewodową komunikacją z odległymi urządzeniami w coraz większym stopniu wymagają okresowych impulsów prądowych do zasilania urządzeń realizujących dwukierunkową komunikację bezprzewodową. Standardowe baterie LiSOCl2 typu szpulkowego nie mogą dostarczać dużych impulsów prądowych ze względu na swoją konstrukcję, zorientowaną na długą żywotność. Jednak mogą one być połączone z kondensatorem hybrydowym HLC (hybrid layer capacitor), który działa jak akumulator dostarczający okresowo impulsów prądowych. Kondensator albo akumulator (bateria) HLC posiada ponadto charakterystykę napięciową taką, której płaski przebieg wyraźnie załamuje się pod koniec czasu życia. Umożliwia to generowanie alarmów o niskim stanie baterii (low battery) i sygnalizację konieczności jej wymiany.
W produktach konsumenckich podobną funkcję pełnią superkondensatory, ale generalnie nie są one zalecane do aplikacji przemysłowych.
w wersji przemysłowej i konsumenckiej (depth of discharge ? DOD, głębokość rozładowania)
Pozyskiwanie energii z otoczenia ? nisza technologiczna o tendencji wzrostowej
Urządzenia pobierające dziennie tyle energii, że może to spowodować przedwczesne wyczerpanie podstawowej baterii litowej (prąd mierzony w miliamperach), mogą być przystosowane do pozyskiwania energii z otoczenia. Panele fotowoltaiczne (PV) są najpopularniejszą formą takiego pozyskiwania energii.
Jednym z przykładów jest zasilane energią słoneczną urządzenie śledzące, które monitoruje zdrowie i status zwierząt żyjących w stadach. Innym przykładem jest również zasilany energią słoneczną terminal parkingowy, który pobiera opłaty od kierowców oraz identyfikuje wolne miejsca, co zmniejsza miejskie korki i zanieczyszczenie powietrza. Urządzenia pozyskujące energię z otoczenia często współpracują z akumulatorami Li-ion, które magazynują pozyskaną zieloną energię.
Konsumenckie baterie/akumulatory Li-ion charakteryzują się żywotnością ograniczoną do 5 lat oraz 500 cykli ładowania/rozładowania. Ponadto zwykle mają umiarkowany zakres temperatur pracy (0 do 40°C) i brak możliwości zasilania impulsami prądowymi. Gdy wymagane jest zasilanie urządzeń przez bardzo długi czas, to często konieczne jest zastosowanie przemysłowych akumulatorów Li-ion (patrz tabela), które mogą pracować nawet do 20 lat oraz wytrzymać 5000 cykli pełnego ładowania/rozładowania. Ponadto mogą pracować w rozszerzonym zakresie temperatur (-40° do 85°C) i dostarczać okresowe wysokie impulsy prądowe, przy zasilaniu urządzeń realizujących dwukierunkową komunikację bezprzewodową. Te przystosowane do specyficznych warunków przemysłowych akumulatory mają też hermetyczne uszczelnienia.
Wydajność baterii może się różnić. Wskaźnik samowyładowania w ciągu roku dla baterii szpulkowej LiSOCl2 może się znacznie różnić, w zależności od sposobu jej wyprodukowania. Bateria szpulkowa LiSOCl2 najwyższej jakości cechuje się wskaźnikiem samorozładowania w ciągu roku na poziomie zaledwie 0,7%, zachowując ponad 70% swojej początkowej pojemności po 40 latach. W odróżnieniu od niej bateria szpulkowa LiSOCl2 niższej jakości może mieć wskaźnik samorozładowania nawet 3% w ciągu roku. Oznacza to, że co 10 lat traci ona 30% ze swojej dostępnej pojemności, tak więc osiągnięcie żywotności 40 lat jest dla niej niemożliwe.
Przy dokonywaniu specyfikacji baterii, często pod względem ekonomicznym sensowne jest wybranie takiego źródła zasilania, którego trwałość jest taka sama jak zasilanego urządzenia. W ten sposób wyeliminowana zostaje potrzeba wymian baterii w przyszłości oraz zminimalizowany całkowity koszt posiadania.
Jednak wpływ większego wskaźnika samorozładowania może być niewidoczny przez cale lata i może nie być udokumentowany przez dane z testów. Przy dokonywaniu oceny dostawców ważne jest zatem, aby zażądać od nich w pełni udokumentowanych wyników z testów długoterminowych, wraz z referencjami klientów i danymi z działania na urządzeniach obiektowych, równoważnych posiadanym przez naszą firmę, pracujących w podobnych warunkach środowiskowych. Umożliwi to podjęcie przemyślanej, trafnej decyzji.
Sol Jacobs jest wiceprezesem i dyrektorem generalnym w firmie Tadiran Batteries.