№6 / 2017 Статья 7 Немного магии: применение литиевых батареек в автоматизированных системах учета ресурсов

Александр Русу (г. Одесса)

Автоматизированные системы учета ресурсов требуют счетчиков, способных работать с автономным электропитанием от батарей в жестких условиях эксплуатации более 15 лет. Литиевые батарейки для этой цели выпускают такие крупные мировые производители, как EEMB, SAFT, EVE, Varta, Tekcell, Robiton, Minamoto. Но долгоживущая батарейка – это только первый шаг в непростом проектировании таких систем.

Глобальные экономические и экологические кризисы стимулируют разработку и внедрение технологий рационального использования ресурсов. Одним из направлений решения этой задачи является использование локального оборудования сбора и обработки данных (ЛОСОД) и автоматизированных систем коммерческого учета энергоресурсов (АСКУЭ). Использование ЛОСОД/АСКУЭ позволяет в режиме реального времени контролировать, анализировать, прогнозировать и оптимизировать величину потребления различных видов ресурсов, а также оперативно обнаруживать возникновение аварийных ситуаций, например, утечек или несанкционированного подключения.

Рис. 1. Счетчик СЕ 303 производства компании «Энергомера»

Рис. 1. Счетчик СЕ 303 производства компании «Энергомера»

Основой ЛОСОД/АСКУЭ являются приборы учета количества ресурсов – счетчики. Современные счетчики, кроме определения количества потребленного ресурса, позволяют измерять и сохранять в собственной энергонезависимой памяти большое количество различных параметров. Для дистанционного управления и передачи информации о результатах измерений приборы учета оборудуются как проводными, так и беспроводными интерфейсами передачи данных, среди которых можно выделить как широко используемые в технике (RS-485, WiFi, BlueTooth, Ethernet), так и специально разработанные для данных задач малопотребляющие решения: PLC, ZigBee, LPWAN и другие. Например, трехфазный многотарифный электрический счетчик СЕ303 производства компании «Энергомера» (рисунок 1) позволяет передавать информацию о результатах измерения через оптический порт, по проводным (RS-232/485, Ethernet) или беспроводным (RF433 МГц, GSM/GPRS) интерфейсам, а также по интерфейсу с использованием линий электропередач (PLC).

На сегодняшний день оборудование для автоматизированных систем учета ресурсов выпускается большинством ведущих мировых и российских производителей. В таблице 1 приведены краткие характеристики некоторых современных счетчиков, предназначенных для измерения количества электроэнергии, природного газа, тепловой энергии, горячих и холодных жидкостей, которые могут использоваться в составе ЛОСОД/АСКУЭ.

Таблица 1. Счетчики для ЛОСОД/АСКУЭ

Производитель Энергомера ООО НПК «Инкотекс» ООО НПП «Ирвис» ООО НПП «ТЕПЛОВОДОХРАН»
Наименование CE303 Меркурий 230 ИРВИС-РС4 «Пульсар»
Назначение Трехфазный многотарифный счетчик активной и реактивной электрической энергии Трехфазный многотарифный счетчик активной и реактивной электрической энергии Измеритель расхода водяного пара, неагрессивных горючих и инертных газов Количество тепловой энергии, энергии охлаждения, тепловой мощности, объемного расхода, температуры, разницы температуры теплоносителя
Интерфейсы передачи данных Оптический порт, RS-485, Ethernet, RF-433 МГц, GSM/GPRS, PLC Импульсный выход, RS-485, CAN, IrDA, PLC-I RS-232/485 Импульсный выход (энергия), M-BUS, Wireless M-BUS, RS485, оптический, радиоканал
Диапазон рабочих температур, °С -40…60 -40…55 -40…45 5…50
Межповерочный
интервал, лет
16 10 4 (ограничен сроком службы батареи) 6 (ограничен сроком службы батареи)
Средний срок службы, лет 30 30 15 12

В нормальном режиме питание счетчиков может осуществляться как от промышленной сети переменного тока, так и от источников постоянного тока. Например, большинство расходомеров группы российских компаний «Взлет» (рисунок 2) питается от сети постоянного тока напряжением 24 В, а большинство электросчетчиков питается непосредственно от сети, в которой производятся измерения.

а)

а)

б)

б)

Рис. 2. Теплосчетчик-регистратор ТСР-042 (а) и расходомер-счетчик электромагнитный ВЗЛЕТ ЭР
(Лайт М) (б) производства компании «Взлет»

Важным моментом эксплуатации подобных счетчиков является функционирование в автономном режиме, который может возникнуть, например, в результате аварии основного источника питания. Для систем ЛОСОД/АСКУЭ важным параметром является время выполнения измерения или обнаружения события, к которому также привязываются тарифные сетки поставщиков энергоресурсов. Таким образом, в состав любого счетчика, как минимум, должны входить часы реального времени, способные работать круглосуточно и бесперебойно на протяжении всего времени его эксплуатации. Например, в электросчетчике СОЭБ-2П производства ЗАО «Радио и Микроэлектроника» часы реального времени выполнены на основе микросхемы M41T56M6 компании STMicroelectronics, обеспечивающей малое потребление от батареи и высокую стабильность измерений времени за счет цифровой коррекции суточного хода часов. В идеальном случае счетчик, предназначенный для работы в составе ЛОСОД/АСКУЭ, независимо от наличия или состояния внешнего источника питания, должен постоянно находиться в составе системы, обеспечивая передачу данных и, при необходимости, управление отдельными элементами системы.

Одним из направлений дальнейшего развития систем ЛОСОД/АСКУЭ может стать использование современных экономичных технологий передачи данных, например, глобальных беспроводных сетей с малым потреблением LPWAN (Low Power Wide Area Network). На сегодняшний день по всему миру разворачивается инфраструктура для передачи данных устройств Интернета вещей, число которых уже исчисляется миллионами. Для этой цели в 2015 году была создана некоммерческая организация LoRa Alliance, объединяющая операторов связи, производителей микроэлектроники и программного обеспечения, в состав которой входят компании IBM, Semtech, Cisco, Inmarsat, Swisscom и другие. Основной миссией LoRa Alliance является продвижение протокола LoRaWAN (рисунок 3), который может быть принят в качестве единого стандарта для устройств Интернета вещей. В рамках этого направления в 2016 году компанией «Лартех Телеком» начато строительство сетевой инфраструктуры сети LoRaWAN на территории России.

Рис. 3. Архитектура сети LoRaWAN

Рис. 3. Архитектура сети LoRaWAN

Использование современных технологий измерения и передачи данных позволит уменьшить энергопотребление электронной части счетчиков до величин, при которых станет возможным создавать приборы, способные годами работать в автономном режиме, а отсутствие каких-либо соединительных проводов упростит требования к монтажу и эксплуатации учетных систем. Фактически превращение существующих систем учета в системы ЛОСОД/АСКУЭ будет заключаться лишь в организации центра сбора и обработки данных и замене счетчиков без прокладки каких-либо дополнительных коммуникаций.

Очевидно, что основной проблемой при разработке счетчиков, предназначенных для длительной автономной работы, является организация питания электронной части, требования к которому являются очень жесткими и порой – взаимоисключающими.

Счетчики являются малогабаритными устройствами, и возможность увеличения их габаритов для размещения источника питания большой емкости ограничена существующими техническими условиями. Часто счетчики располагаются в местах с малым объемом (шкафах, нишах, колодцах, технологических коридорах), и счетчик больших размеров может просто не поместиться в нужном месте, поэтому элемент питания должен быть по возможности малогабаритным.

Замена элемента питания обычно является частью регламента поверки счетчика и должна проводиться квалифицированным персоналом в специализированных сервисных центрах. Поэтому срок службы элемента должен быть не меньше, чем длительность межповерочного интервала, который для электросчетчиков может достигать 16 лет. Для некоторых приборов, например, газового счетчика ИРВИС-РС4, длительность интервала между поверками составляет 4 года и, как указано в технической документации, определяется сроком службы батареи. Таким образом, увеличение времени работы от батареи приводит к увеличению межповерочного интервала и, соответственно, к повышению надежности и уменьшению затрат на обслуживание системы.

Счетчики работают в жестких условиях эксплуатации. Как видно из таблицы 1, диапазон рабочих температур всех видов приборов, кроме водомеров, находится в диапазоне -40…60°С (для водомеров нижний порог органичен температурой замерзания жидкости). Причем счетчики, расположенные вне помещений, подвергаются еще и резким перепадам влажности и температуры. Например, температура электросчетчика, расположенного в уличном шкафу, может изменяться на 40°С, дважды за стуки переходя точку замерзания воды.

Еще одной особенностью работы элементов питания счетчиков, обусловленной наличием беспроводных интерфейсов, является сложный характер потребления энергии. При выполнении измерений энергопотребление счетчика невелико, но при передаче данных по радиоканалу оно может возрасти на несколько порядков. Это накладывает дополнительные требования к характеристикам элемента питания, поскольку внутреннее сопротивление, которое ограничивает величину максимального тока, и ток саморазряда, от которого зависит срок службы, взаимосвязаны: при уменьшении внутреннего сопротивления ток саморазряда обычно увеличивается.

Таким образом, организация питания счетчика требует высокого профессионализма разработчика, учета большого количества взаимосвязанных параметров и глубокого понимания процессов, происходящих как в элементе питания, так и во всем устройстве. В этой статье рассмотрены основные моменты и особенности выбора элемента питания, позволяющие уменьшить количество ошибок при проектировании и сократить время на разработку современных счетчиков.

Анализируя номенклатуру ведущих производителей химических источников тока, выпускающихся уже более 100 лет, можно отметить, что они делятся на две большие категории: первичные (невозобновляемые, незаряжаемые), которые принято называть «батарейками», и вторичные (перезаряжаемые) – аккумуляторы. Очевидно, что аккумуляторы имеет смысл использовать при наличии некоторого первичного источника энергии, который при автономном использовании счетчика отсутствует. Поэтому питание электроники счетчика на протяжении всего срока эксплуатации обычно осуществляется от первичных источников тока.

В аппаратуре, не предназначенной для работы в жестких условиях, обычно используют недорогие солевые или щелочные батарейки, однако из-за малого срока хранения и эксплуатации для использования в счетчиках они не подходят, и наилучшим решением является использование литиевых источников тока. Литиевые батарейки выпускаются как небольшими малоизвестными компаниями (в основном, расположенными в Китае), так и крупными мировыми производителями химических источников тока, пользующихся заслуженной популярностью среди производителей электроники, в числе которых EVE, SAFT, Varta, Tekcell, Robiton, Minamoto и другие.

Например, компания EEMB, штат которой состоит из примерно 1600 человек, производит батареи и аккумуляторы с 1995 года. В каталогах компании присутствует широкий ассортимент химических источников тока для промышленных и специальных приложений. Высокая надежность продукции производства EEMB во многом обусловлена использованием системы контроля качества, соответствующей стандарту ISO9001, которая внедрена на всех этапах производственного процесса.

Для использования в счетчиках (Meter Battery) компания EEMB позиционирует широкий ассортимент высокоемкостных (Enegry Type) литиевых батареек бобинного типа (таблица 2). Помимо батареек большой емкости, компания EEMB предлагает источники тока повышенной мощности (High Power Type), а также элементы питания с расширенным диапазоном рабочих температур (High Temperature), верхняя граница которого достигает 150°С.

Таблица 2. Ассортимент батареек EEMB для счетчиков

Наименование Технология Номинальное напряжение, В Номинальная емкость, мА•ч Размер Ток разряда, мА
Стандартный Импульсный
ER10250 Li-SOCI2 3,6 400 0,5 10
ER10450 800 AAA 1 60
ER13150 450 0,5 20
ER13170 500
ER14250 1200 1/2AA 80
ER14335 1650 2/3AA 100
ER14505 2400 AA 2 200
ER17335 2100 2/3A
ER17505 3400 A
ER18505 4000
ER20505 4400 C 1,2 250
ER26500 9000 C 2 400
ER34615 19000 D 500
ER341245 35000 DD
CR10450BL Li-MnO2 3 850 0,5 100
CR14250BL 900 1/2AA 70
CR14335BL 1100 2/3AA 80
CR14505BL 1800 AA 100
CR17335BL 1800 2/3A 1
CR17450BL 2400 150

Благодаря высокому качеству производства литиевые элементы питания EEMB можно использовать в медицинском оборудовании, кассовых аппаратах, поисково-спасательном оборудовании, беспроводных системах безопасности, наземных сенсорах, мобильных системах слежения, приборах ночного видения, устройствах автоматизированного удаленного управления, автомобильных устройствах слежения и многих других.

Французская компания SAFT производит химические источники тока с 1918 года. За практически вековой период компания стала заслуженным мировым лидером в данной отрасли. На сегодняшний день компания производит свою продукцию в 18 странах, расположенных по всему миру. Изделия SAFT имеют наивысший уровень надежности, безопасности и экологической чистоты. Компании SAFT принадлежит первый международный патент на литиевые источники тока, который был получен в 1965 году. Благодаря тесному взаимодействию с потребителями своей продукции, компания способна предлагать готовые решения, максимально адаптированные для каждой конкретной задачи. Например, в ассортименте SAFT присутствует ряд батареек, специально разработанных для автономного питания различных приборов учета (таблица 3).

Таблица 3. Ассортимент батареек SAFT для счетчиков

Наименование Технология Номинальное напряжение, В Номинальная
емкость, А•ч
Размер Назначение
LS14250 Li-SOCI2 3,6 1,2 1/2АА Электросчетчики
LS14500 3,6 2,6 АА Счетчики всех типов
LS17500 3,6 3,6 А Водомеры, газовые, теплосчетчики
LS26500 3,6 7,7 С
LS33600 3,6 17 D
LSH14 3,6 5,8 C Телекоммуникации, сетевая инфраструктура
LSH20 3,6 13 D
LM17500 Li-MnO2 3 3 A Водомеры, газовые, теплосчетчики
LM26500 7 C
LM33600 13 D
M52EX SV 5,6 C Газовые счетчики
M20EX SV 12,4 D

Литиевые батарейки производства компании SAFT обладают количеством энергии и мощностью, достаточной для применения в бытовых и промышленных счетчиках, работающих в жестких условиях и не подключенных к источникам постоянного или переменного тока. Основными преимуществами данных батареек являются:

  • длительный срок службы благодаря высокой удельной емкости (рисунок 4) и малому саморазряду (рисунок 5);
  • отсутствие необходимости дополнительного обслуживания;
  • гарантированное высокое и стабильное напряжение под нагрузкой даже в уличных условиях;
  • широкий диапазон решений для использования во всех видах измерительных приборов;
  • экологическая чистота благодаря отсутствию тяжелых металлов и возможности повторного использования материалов батареек;
  • соответствие стандартам безопасности литиевых технологий UL, IEC и UN;
  • соответствие требованиям IEC 60079-11 “Intrinsic Safety” и ATEX – директивам ЕС, определяющим требования к оборудованию, работающему в потенциально взрывоопасной среде.

Рис. 4. Сравнение графиков разряда батарей LM 17500 производства компании SAFT и CR 17450 другого производителя

Рис. 4. Сравнение графиков разряда батарей LM17500 производства компании SAFT и CR17450 другого производителя

Рис. 5. Сравнение графиков саморазряда литий-тионилхлоридных элементов бобинного типа произ- водства компании SAFT и другого производителя при температуре 20°С

Рис. 5. Сравнение графиков саморазряда литий-тионилхлоридных элементов бобинного типа производства SAFT и другого производителя при температуре 20°С

В качестве примера можно сравнить графики разряда батарей LM17500 производства компании SAFT и CR17450 другого производителя при температуре 20°С, постоянном разрядном токе 5 мА и импульсах амплитудой 150 мА/300 мА/450 мА/600 мА/1,4 Вт по 10 импульсов в каждой серии (рисунок 4).

Однако использование самой дорогой, самой емкой литиевой батарейки наивысшего качества самого известного производителя не гарантирует длительной и стабильной работы счетчика. На практике периодически возникают случаи, когда время автономной работы в реальных режимах эксплуатации отличается от расчетного в несколько раз. Поскольку длительность межповерочного интервала исчисляется годами, а замена батареи сопряжена с большим количеством дополнительных организационных мероприятий, такое расхождение уменьшает уровень доверия к изготовителям батареек и, как следствие, сдерживает широкое распространение счетчиков с автономным питанием и уменьшает длительность межповерочного интервала.

Когда длительность работы от батарейки исчисляется годами, не всегда есть возможность сразу проверить на практике правильность проектирования профиля питания. Поэтому возникновение массовых отказов очень болезненно воспринимается как производителями приборов учета, так и конечными потребителями. При анализе причин возникшей ситуации первыми под подозрение обычно попадают производители элементов питания, поскольку после разряда проверить качество изготовления батарейки уже не представляется возможным. Однако в большинстве случаев после подключения к анализу представителей компании, производящей батарейки, оказывается, что проблема заключалась или в неправильном выборе батарейки, или в других ошибках проектирования счетчика.

На сегодняшний день проектирование любого прибора, способного работать больше 10 лет от одной батарейки в сложных условиях окружающей среды, больше похоже на искусство, чем на рутинную инженерную работу, поскольку какой-либо четкой методики расчета времени работы батареи на такой срок не существует. Рассмотрим основные особенности использования литиевых батареек, которые необходимо учитывать при проектировании счетчиков с длительным временем автономной работы.

Литиевые элементы делятся на три основные группы, имеющие различный химический состав, характеристики и, соответственно, различные особенности и сферы применения.

  • Элементы на основе диоксида серы (Li-SO2) имеют напряжение 2,9 В, длительный срок хранения (до 20 лет) и способны работать в условиях экстремально низких температур. Они в основном применяются в военных приложениях. Для гражданского и коммерческого применения, как правило, используются элементы на основе диоксида марганца и тионилхлорида.
  • Элементы на основе диоксида марганца (Li-MnO2) являются наиболее изученными как с точки зрения технологии изготовления, так и особенностей эксплуатации и, соответственно, наиболее востребованными на рынке. Эти элементы имеют номинальное напряжение 3,0 В и способны, в зависимости от конструкции, обеспечивать ток от 0,1 до нескольких ампер. Срок хранения данных элементов составляет 5…10 лет, продолжительность работы – 5…15 лет при температуре окружающей среды до -40°С.
  • Элементы на основе тионилхлорида (Li-SOCl2) имеют наибольшую удельную емкость. Тионилхлоридный элемент, в зависимости от конструк­ции, способен генерировать ток от нескольких микроампер до нескольких сотен миллиампер при напряжении 3,6 В. Длительность хранения этих элементов составляет 10…15 лет, а срок эксплуатации – 10…20 лет. Благодаря низкой температуре замерзания тионилхлорида, который равен -130°С, эти элементы имеют самый широкий диапазон рабочих температур. Обычный тионилхлоридный элемент способен эффективно функционировать при температуре -55…85°С. При этом существуют элементы, способные работать в условиях как экстремально низкой (-150°С), так и высокой (200°С) температуры.

Максимальный ток, который может отдавать литиевый элемент, зависит от его конструкции, которая может быть бобинной или спиральной (рисунок 6).

а)

а)

б)

б)

Рис. 6. Конструкция литиевых элементов SAFT: а) бобинного и б) спирального типа

Элементы с бобинной конструкцией имеют малый уровень саморазряда и предназначены для длительного применения в приложениях с небольшим, не превышающим 150 мА, током постоянного или импульсного характера. При правильной эксплуатации срок службы бобинного элемента может достигать более 20 лет.

Элементы спиральной конструкции, благодаря большей площади литиевого контакта, в импульсном режиме способны обеспечить ток до 4 А, а в режиме постоянного разряда – 0,1…1,8 А, однако саморазряд спиральных элементов на порядок больше, чем у бобинных (до 10% в год при неблагоприятных условиях хранения или эксплуатации), что не позволяет их использовать в приложениях, требующих сверхдлительного времени работы без замены батареи.

Особенностью литиевых батареек является изменяющееся значение внутреннего сопротивления из-за пассивации анода, которая наиболее ярко проявляется в тионилхлоридных элементах. Литий и тионилхлорид имеют высокий уровень химической активности. При сборке батарейки эти два вещества реагируют друг с другом, в результате чего на поверхности анода образуется пленка хлорида лития, не растворяющаяся в тионилхлориде. Эта пленка останавливает реакцию, предотвращая дельнейший расход лития. Аналогичная реакция происходит с алюминием, который также является чрезвычайно активным металлом. При соприкосновении с воздухом на поверхности алюминиевых изделий образуется прочная, химически пассивная пленка, прекращающая дальнейшее окисление. Благодаря ей алюминиевые изделия можно использовать как в воздухе, так и в воде без какой-либо дополнительной защиты от коррозии.

Толщина изолирующей пленки тионилхлоридных элементов непостоянна и зависит от большого количества факторов. Образование пленки происходит непрерывно, независимо от того, используется батарейка или нет. Поскольку пленка образуется в результате химической реакции, то скорость ее образования напрямую зависит от температуры окружающей среды. При увеличении температуры скорость образования пленки увеличивается, поэтому чем дольше хранится элемент и чем выше температура его хранения – тем больше толщина пленки. Уменьшить толщину пленки можно или механическим воздействием, или путем пропускания через элемент разрядного тока. Изолирующую пленку эффективно растворяет даже небольшой разрядный ток.

Поскольку пассивация приводит к увеличению внутреннего сопротивления, то после длительного хранения при высоких температурах батарейка, несмотря на наличие достаточного запаса энергии, в первое время не способна обеспечить прибор питанием нужного качества. Во время разряда на внутреннем сопротивлении батарейки возникает падение напряжения, пропорциональное величине разрядного тока. При небольших токах разряда просадка напряжения незначительна и не приводит к отказу прибора, но при увеличении тока напряжение на выводах батарейки может оказаться меньше напряжения отключения прибора (рисунок 7). В этом случае перед установкой батарейки необходимо предварительно выполнить ее депассивацию, заключающуюся в разряде небольшим током до тех пор, пока напряжение на ее выводах не стабилизируется.

Рис. 7. Напряжение на выводах пассированного литий-тионилхлоридного элемента

Рис. 7. Напряжение на выводах пассированного литий-тионилхлоридного элемента

Более сложные процессы происходят во время работы прибора. При разряде постоянным током величины, соизмеримой с током саморазряда батарейки, что характерно для счетчиков с проводными интерфейсами передачи данных, работающими автономно (вне систем ЛОСОД/АКУЭ) или использующими батарейку в качестве аварийного источника энергии, скорость нарастания пленки может оказаться больше скорости ее растворения. Если не принимать никаких мер, то нарастание пленки и, соответственно, уменьшение напряжения батарейки будут происходить непрерывно вплоть до отказа прибора, который обычно наступает намного раньше запланированного времени. Время наступления отказа во многом зависит от температуры хранения и эксплуатации и может сильно отличаться даже для счетчиков из одной партии. Поскольку отказ прибора произошел из-за пассивации элемента питания, а не из-за его разряда, то решение проблемы «в лоб» – установкой батарейки большей емкости – может только ухудшить ситуацию, поскольку более емкие элементы, как правило, имеют большую скорость нарастания пленки. Поэтому при таком подходе может получиться парадоксальная ситуация, при которой прибор с более емкой батарейкой будет работать меньшее количество времени, чем с элементом меньшей емкости.

Для продления времени жизни счетчика, потребляющего постоянный ток небольшой величины, во время работы необходимо выполнять периодическую депассивацию элемента питания путем увеличения потребляемого тока. Частоту выполнения депассивации и величину разрядного тока в большинстве случаев необходимо подбирать экспериментально, в зависимости от реальных условий эксплуатации. Рекомендуется плавное увеличение разрядного тока с обязательным контролем напряжения питания до момента его стабилизации на некотором уровне. Депассивацию импульсным током большой величины для подобных приборов делать не рекомендуется, поскольку в этом случае напряжение питания может существенно уменьшиться, что приведет к отказу прибора. Также следует помнить, что на депассивацию расходуется часть энергии батарейки, поэтому слишком частое ее выполнение также приводит к уменьшению времени автономной работы.

Еще более сложная ситуация в счетчиках, оборудованных радиомодулями или оптическими интерфейсами. Передача данных по этим интерфейсам требует большого расхода энергии, поэтому такие счетчики имеют ярко выраженный импульсный характер потребления тока. С одной стороны, такой характер потребления устраняет проблему депассивации – во время сеанса передачи данных изолирующая пленка в большинстве случаев растворяется без остатка. С другой стороны, полное растворение пленки также негативно сказывается на сроке службы элемента. После окончания токового импульса литий и тионилхлорид сразу же вступают в химическую реакцию, скорость которой из-за отсутствия защитного барьера намного больше, чем скорость образования пленки при разряде постоянным током. Таким образом, при каждом сеансе связи энергия батарейки тратится не только на передачу данных, но и на ее последующую пассивацию (рисунок 8). При частых сеансах связи этот дополнительный расход энергии необходимо обязательно учитывать при проектировании, поскольку он может привести к заметному сокращению времени работы батарейки.

Количество лития, которое тратится на образование пленки после токового импульса, также зависит от многих параметров, которые обычно в технической документации не приводятся. Поэтому при ярко выраженном импульсном характере потребления для расчета среднего срока службы батарейки следует обратиться к изготовителю, поскольку только он знает все особенности физико-химических процессов, происходящих внутри нее. Например, компания SAFT для своих клиентов расчет срока службы батарейки может выполнить бесплатно.

При импульсном характере потребления еще одной проблемой может оказаться длительность времени между сеансами связи. При регулярном обмене данными с небольшими промежутками времени, например, при непрерывном мониторинге системы, пассивации элемента может не произойти. Однако если длительность между интервалами связи составляет месяц и более, что для счетчиков вполне нормально, то за это время может произойти пассивация, и батарейка окажется не в состоянии обеспечить счетчик энергией, достаточной для обмена данными (рисунок 9). Эта же ситуация может произойти, если счетчик длительное время не используется, например, при мониторинге сезонных объектов. В этом случае в прибор также необходимо встраивать необходимые узлы, и при больших перерывах между сеансами связи периодически проводить депассивацию.

Рис. 8. Пассивация элемента после разряда большим током

Рис. 8. Пассивация элемента после разряда большим током

Рис. 9. Пассивация элемента при длительном перерыве между сеансами связи

Рис. 9. Пассивация элемента при длительном перерыве между сеансами связи

Срок службы элемента питания, особенно в случае приборов с оптическими или радиоинтерфейсами, напрямую связан с количеством сеансов обмена данными. При определении их вероятного количества следует обращать внимание на особенности работы счетчика в аварийных режимах работы системы. Например, при использовании GSM/GPRS-технологий энергия батареи тратится не только на передачу данных, но и на поиск и регистрацию прибора в сети мобильного оператора. Если счетчик расположен в зоне неуверенного приема или мобильный оператор в этой соте работает нестабильно, то количество сеансов обмена, в том числе – и неудавшихся, может существенно превышать расчетное значение.

В любом случае количество энергии рекомендуется тщательно контролировать. Для этой цели можно использовать специализированные микросхемы, например, MAX17хх производства компании MAXIM Integrated, которые для оценки оставшегося заряда батареи используют специально разработанную математическую модель литиевого элемента ModelGauge™ (рисунок 10). Микросхемы определяют количество энергии, потребленной от батареи, в том числе – и с учетом температуры окружающей среды. На основании этих данных можно прогнозировать оставшееся время работы.

Рис. 10. Схема включения расходомера MAX17040/MAX17041

Рис. 10. Схема включения расходомера MAX17040/MAX17041

И последний момент, на который необходимо обратить внимание при проектировании счетчиков – величина саморазряда батареи и тока утечки прибора. Если планируется эксплуатировать прибор без замены элемента питания более 10 лет, необходимо обратить внимание на ток утечки всех элементов цепи питания (развязывающих конденсаторов, микроконтроллера, печатной платы и так далее), поскольку значительный ток утечки может сократить время работы от батареи на несколько лет. В любом случае по паспортным данным элементов для соответствующей температуры необходимо определить количество энергии, которое будет потрачено на утечку за весь срок эксплуатации.

Заключение

Подводя итоги, можно отметить следующее. Разработка счетчика ресурсов для автоматизированных систем ЛОСОД/АСКУЭ, способного в жестких условиях эксплуатации отработать без замены батареи 15 лет и более, на сегодняшний день вполне реальна. Однако без глубокого понимания всех процессов, протекающих как в приборе, так и в элементе питания, результат проектирования будет, скорее всего, неудовлетворительным. На сегодняшний день батарейки, способные эффективно отдавать энергию в течение длительного времени, выпускаются многими ведущими мировыми производителями химических источников тока. Однако недостаток опыта разработчиков подобного оборудования приводит к тому, что уровень доверия к таким батарейкам пока недостаточно высок, даже несмотря на то, что большинство производителей открыто для диалога и может оказать необходимую консультацию. И если в данном материале выделить универсальную рекомендацию для разработчиков, то она будет заключаться в следующем: при сложных условиях эксплуатации в течение длительного времени батарейка, впрочем, как и любой другой элемент, становится важной, а порой и уникальной частью вашего прибора, а производитель батарейки поневоле ставится полноценным соавтором вашего устройства. Поэтому наилучшим решением в сложной ситуации является обращение к изготовителю элемента питания для получения необходимых консультаций, которые помогут вам быстро и эффективно решить поставленную задачу.