Литиевые батарейки FANSO в беспроводных датчиках

23 июня

системы безопасностиучёт ресурсовпотребительская электроникаавтоматизацияинтернет вещейFansoстатьяисточники питаниябатарейное питаниеАСКУЭЛитиевые батарейкибеспроводные датчики

Анна Конева (г. Ростов-на-Дону)

Литиевые батарейки различного химического состава и разных типоразмеров широко используются в беспроводных датчиках систем сбора данных, промышленной автоматики и систем умного дома. Широкий спектр таких батареек производит не прекратившая поставки в Россию китайская компания Fanso, входящая во всемирно известный концерн по производству электрохимических элементов питания EVE.

Проще назвать отрасли, где не используют беспроводные датчики, чем перечислить все сферы их применения. Эти приборы интегрированы в высокоточные системы мониторинга производства и в трекеры спортивных тренажеров, устанавливаются в оборудование на труднодоступных объектах и в развивающие детские игрушки. Повсеместно распространились беспроводные сенсорные сети, в состав которых входят датчики различных направлений и функций – от штатной работы каждого из них зависит эффективность всей многоуровневой системы. Это может быть комплекс «умного дома», который отслеживает потребление всех видов коммунальных ресурсов, попутно решая проблемы безопасности жильцов, например, с помощью детекторов утечки газа. По тому же принципу многоуровневой сети датчиков работают системы цифровизации на крупных промышленных предприятиях, контролирующие все циклы производства.

Особое значение беспроводные датчики имеют в нефтегазовой отрасли: они решают проблему управления объектами, которые размещены в труднодоступной местности на значительном удалении друг от друга. Благодаря беспроводным средствам измерения и управления создаются резервные маршруты передачи данных, отсылающие оперативную информацию в диспетчерские центры и взаимодействующие между собой.

В любом из многочисленных вариантов использования беспроводных датчиков (рисунок 1) основными требованиями к их работе являются автономность и бесперебойность функционирования. Главным условием, гарантирующим такую работу, является правильный выбор элемента питания для датчика.

Рис. 1. Использование батареек в качестве питания беспроводного датчика – детектора дыма

Рис. 1. Использование батареек в качестве питания беспроводного датчика – детектора дыма

Принципы выбора батарейки для беспроводного датчика

Выбор оптимального решения для питания беспроводного датчика начинается с тщательной оценки рабочих параметров системы, в которой должна применяться батарейка, режима работы и условий использования самого датчика.

Чаще всего беспроводные датчики большую часть времени находятся в режиме ожидания, который характеризуется малым энергопотреблением, однако в моменты передачи информации, напротив, происходит резкий скачок энергопотребления. Соответственно, режим работы автономного элемента питания в этих датчиках должен обеспечивать низкий саморазряд и хорошую токоотдачу. При использовании беспроводных датчиков исключительно в одном режиме, например, при мониторинге температуры (термометры без функции регулярной передачи статистики), на первое место выходит требование длительной работы в режиме малого тока.

При выборе батарейки необходимо обязательно учитывать факторы окружающей среды, в которой работает беспроводной датчик: при эксплуатации такого прибора на внешних стенах оборудования, фасадах зданий и в сложных климатических условиях (например, при геологических изысканиях) батарея датчика должна быть устойчивой к экстремальным перепадам температур и высокой влажности. При использовании беспроводных датчиков в труднодоступных местах важна длительность срока эксплуатации батареи, а также простота ее замены. В случае создания интегрированной системы датчиков имеют первостепенное значение габариты элемента питания при сохранении основных параметров работы.

После анализа этих требований можно приступать к сравнению характеристик батарей по таким параметрам, как напряжение, энергоемкость, срок службы, стоимость и доступность на рынке.

Производители беспроводных датчиков, особенно высокочувствительных, отдают предпочтение литиевым батарейкам, которые могут обеспечивать как длительный режим при малых токах, так и периодическое высокое пиковое поступление энергии. Современные литиевые батарейки представлены широким рядом источников питания с литиевым анодом, отличающихся катодами, электролитами, механическими характеристиками и, соответственно, размерами.

Преимущества литиевых батареек

Главным достоинством литиевых источников тока является высокая энергоемкость при очень небольшой массе – они на треть легче щелочных. При этом такие батарейки отличаются высокой вырабатываемой удельной энергией – 400 Вт·ч/кг.

При эксплуатации литиевая батарейка может заменить две щелочных или солевых, так как ее напряжение значительно выше, чем у батареек с другим химическим составом. Что немаловажно, рабочее напряжение литиевой батарейки не снижается с течением времени.

Из недостатков литиевых батареек по сравнению с солевыми или щелочными можно назвать более высокую цену. Однако при использовании их в беспроводных датчиках это компенсируется более длительным сроком эксплуатации без необходимости частой замены элементов.

Благодаря низкому проценту саморазряда срок использования литиевых батареек в зависимости от нагрузки достигает 10 лет. Таким, соответственно, может быть межповерочный срок для приборов учета коммунальных ресурсов: после монтажа прибора с беспроводным датчиком больше нет необходимости до истечения этого срока проводить обслуживание и менять элементы питания.

При этом в линейке таких источников питания есть немало литиевых батареек, способных сохранять все обозначенные качества даже в экстремальных условиях от минус 55 до плюс 85°С. Также имеется специализированная линейка литиевых батареек, способных выдерживать кратковременную температуру до 150°С, например, для использования в датчике контроля глубины геологических буровых установок.

Популярность литиевых батарей среди пользователей и производителей оборудования подстегнула к созданию таких элементов питания в различных конструктивных исполнениях и формах (рисунок 2). Кроме привычных цилиндрических батареек можно найти элементы в форме таблетки или призматические, а также – чрезвычайно малой толщины.

Рис. 2. Современный рынок предлагает разнообразный выбор литиевых батареек как по составу, так и по формам и габаритам

Рис. 2. Современный рынок предлагает разнообразный выбор литиевых батареек как по составу, так и по формам и габаритам

Типы литиевых батареек по составу и конструкции

Рассмотрим разнообразие литиевых батареек на примере продукции компании FANSO, отличающейся широким выбором и высокой надежностью продукции. FANSO производит литий-тионилхлоридные (LiSOCl2) и литий-диоксидмарганцевые (LiMnO2) батарейки.

Электролитом в литий-тионилхлоридных батарейках является раствор солей лития в тионилхлориде. Отличительной особенностью этих источников питания является возможность длительного хранения (саморазряд менее 1% в год), а также большой срок эксплуатации. При этом литий-тионилхлоридные батарейки имеют высокую удельную емкость при номинальном напряжении 3,6 В.

Такая способность данного вида батареек выгодно отличает их при использовании в беспроводных датчиках, которые работают, чередуя длительные периоды простоя и энергоемкие процессы передачи данных, например, при сборе ежемесячной статистики. Из числа тионилхлоридных элементов питания, выпускаемых компанией FANSO, популярностью пользуются ER14250H, ER14505M и ER14505H (таблицы 1, 2 и 3).

Таблица 1. Основные параметры элемента питания ER14250H

Типоразмер 1/2AA
Размер, мм 14,5 х 25,2
Импульсный ток разряда. мА 100
Продолжительный ток разряда, мА 25
Номинальное напряжение, В 3,6
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 1200
Минимальное напряжение, В 2 (при  25°С)
Рабочая температура, °C -55…85

Таблица 2. Основные параметры элемента питания ER14505M

Типоразмер АА
Размер, мм 14,5×50,5
Импульсный ток разряда, мА 1000
Продолжительный ток разряда, мА 300
Номинальное напряжение, В 3,6
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 2100
Минимальное напряжение, В 2 (при 25°С)
Рабочая температура, °C -55…85

Таблица 3. Основные параметры элемента питания ER14505H

Типоразмер АА
Размер, мм 14,5×50,5
Импульсный ток разряда, мА 150
Продолжительный ток разряда, мА 50
Номинальное напряжение, В 3,6
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 2600
Минимальное напряжение, В 2 (при  25°С)
Рабочая температура, °C -55…85

Литий-диоксидмарганцевые (LiMnO2) батарейки имеют твердый электролит с оксидом марганца в качестве катодного материала. Номинальное напряжение LiMnO2-батарей ниже, чем у  тионилхлоридных элементов – 3 В, рабочее напряжение – 2,8…3,2 В. При этом диоксидмарганцевые батареи устойчивы к экстремальным температурам и выдерживают их перепады.

Такие источники питания отличаются особой безопасностью из-за отсутствия эффекта увеличения внутреннего давления в результате химической реакции, поэтому предпочтительны при использовании в датчиках, установленных внутри жилых помещений, а также на высокоточном оборудовании, при работе в сложных климатических условиях или в условиях постоянных воздействий на корпус датчика.

Подобный вид питания подходит для использования в пожарно-охранных датчиках, беспроводной медицинской телеметрии или датчиках, входящих в состав поискового и спасательного оборудования. В качестве примера можно отметить недавно появившуюся на российском рынке цилиндрическую диоксид-марганцевую батарейку CR123A (рисунок 3, таблица 4). Данная батарейка завоевала особую популярность благодаря высокой стабильности работы при крайне низком проценте брака, так как производится на полностью автоматизированной линии.

Таблица 4. Основные параметры элемента питания CR123A

Типоразмер
Размер, мм 17,0×34,5
Импульсный ток разряда, мА 2500
Продолжительный ток разряда, мА 1000
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 1500
Минимальное напряжение, В 2 (при  25 °С)
Рабочая температура, °C -40…70

Рис. 3. Батарейка FANSO CR123A

Рис. 3. Батарейка FANSO CR123A

Компания FANSO производит литиевые батарейки обоих химических типов в различных конструктивных формах, наиболее распространенными являются батарейки спиральной и бобинной конструкций. Различия заключаются в расположении анода и катода: в спиральной конструкции анод и катод скручены в рулон, в бобинной – литиевый анод располагается вокруг угольного катода.

Внутренняя конструкция элемента напрямую влияет на его основные характеристики как источника питания. При спиральной конструкции (например, Fanso ER14505M – рисунок 4), благодаря большой площади электрода батарейка способна выдавать более высокие токи, однако и параметр саморазряда у такой батарейки выше. Поэтому спиральные батарейки особенно эффективны для беспроводных датчиков, работа которых заключается в периодической, но объемной передаче данных. Например, в датчике движения, интегрированном в систему «умного дома»: при срабатывании прибор должен не только быстро перейти в активную фазу, но и оперативно передать сообщение о произошедшем, в современных версиях – с фотоподтверждением.

Рис. 4. Fanso ER14505M спиральной конструкции

Рис. 4. Fanso ER14505M спиральной конструкции

Впрочем, главное достоинство спирального типа батарей является и основным недостатком: из-за высокой мощности есть риск увеличения температуры внутренней части батареи до критического уровня. Поэтому в сферах применения беспроводных датчиков, имеющих повышенные требования к безопасности (например, в качестве нательных регистраторов состояния здоровья пациента в медицине или в качестве коммуникатора в «умных» детских игрушках) предпочтительно выбирать менее энергоемкую, но гарантированно исключающую нештатные ситуации батарейку с бобинной конструкцией.

Источники питания такого типа особенно эффективны для питания беспроводных датчиков, непрерывно работающих в режиме малых токов, например, при необходимости постоянного измерения показателей, контроля процессов или наблюдения. Батарейки бобинной конструкции обладают наименьшими значениями токов саморазряда, что позволяет добиться более длительного срока службы – важнейшее качество для датчиков, установленных в труднодоступных местах.

При необходимости сочетания повышенной безопасности и высокой удельной плотности энергии используют литий-тионилхлоридные батарейки бобинной конструкции. В линейке Fanso есть оптимальное решение для этой задачи – батарейка ER14505H (рисунок 5).

Рис. 5. Батарейка ER14505H сочетает безопасность бобинной конструкции и высокую удельную плотность

Рис. 5. Батарейка ER14505H сочетает безопасность бобинной конструкции и высокую удельную плотность

Разнообразие форм батареек

В линейке продукции FANSO есть литиевые батарейки самых разнообразных форм и габаритов. Наиболее популярны и известны даже далекому от технических познаний пользователю цилиндрические батарейки (рисунок 6). С одной стороны у данного элемента питания есть выступ, являющийся положительным электродом, а плоская или рельефная площадка с другой стороны служит отрицательным.

Рис. 6. Цилиндрические батарейки FANSO производятся в 12 различных типоразмерах

Рис. 6. Цилиндрические батарейки FANSO производятся в 12 различных типоразмерах

Цилиндрические батарейки являются наиболее распространенными, однако разработчики беспроводных датчиков считают их главным недостатком слишком большой объем. Особенно трудно применять батарейки этого типа в плоских датчиках, дизайн которых подразумевает эргономичное использования пространства, например, в настенных датчиках внутри жилого помещения: в них предпочтение отдается призматической (прямоугольной) форме элемента питания. В России такой форм-фактор называют «кроной» по торговому названию первых батареек такого плана.

Призматические батарейки используются при наличии жестких ограничений по форм-фактору и являются отличным решением для беспроводных датчиков. Кроме того, преимуществами данного вида батареек является высокое номинальное напряжение и устойчивость к перепадам температур. Компания Fanso предлагает два вида призматических батареек, различающихся по химическому составу: ER9V (рисунок 7, таблица 5) и CP9V (рисунок 8, таблица 6).

Рис. 7. Литий-тионилхлоридная призматическая батарейка ER9V

Рис. 7. Литий-тионилхлоридная призматическая батарейка ER9V

Таблица 5. Основные параметры элемента питания ER9V

Типоразмер 3ER14250
Размер, мм 49,1×26,8х17,4
Импульсный ток разряда, мА 100
Продолжительный ток разряда, мА 25
Номинальное напряжение, В 10,8
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 1200
Рабочая температура, °C -55….85

Рис. 8. Диоксид-марганцевая призматическая батарейка CP9V отличается повышенной безопасностью

Рис. 8. Диоксид-марганцевая призматическая батарейка CP9V отличается повышенной безопасностью

Таблица 6. Основные параметры элемента питания CP9V

Типоразмер CP9V
Размер, мм 49,5х27,3х18,0
Импульсный ток разряда, мА 500
Продолжительный ток разряда, мА 300
Номинальное напряжение, В 9
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 1200
Рабочая температура, °C -40….60

Для небольших по размерам беспроводных датчиков, а также изделий, используемых в качестве единицы многоуровневой системы, подойдут миниатюрные элементы питания. Небольшие габариты позволяют сохранить все необходимые эксплуатационные качества, в том числе и узконаправленные. Такие датчики называют «таблетками» или «часовыми батарейками», так как изначально они применялись в наручных часах. Конструктивно они представляют собой диск, высота которого значительно меньше диаметра.

В «таблетке» отрицательным электродом является контактная площадка одной из сторон, а положительным – корпус элемента. Несмотря на малые размеры, современные элементы питания обладают достаточной емкостью для питания приборов и имеют широкую сферу применения. Наиболее популярной батарейкой-таблеткой компании FANSO является диоксид-марганцевая CR2032 (таблица 7).

Таблица 7. Основные параметры элемента питания Fanso CR2032

Типоразмер R20
Размер, мм 20×20
Импульсный ток разряда, мА 12
Продолжительный ток разряда, мА 10
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 220
Минимальное напряжение, В 2
Рабочая температура, °C -20….70

Также, в зависимости от потребностей беспроводных датчиков, разработчики часто делают выбор в пользу батареек CR1632, CR2450 и CR2477 (таблицы 8, 9, 10). Все перечисленные изделия по химическому составу – литий диоксид-марганцевые.

Таблица 8. Основные параметры элемента питания CR1632

Типоразмер R16
Размер, мм 16×16х3,2
Импульсный ток разряда, мА 8
Продолжительный ток разряда, мА 3
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 130
Рабочая температура, °C -20….70

Таблица 9. Основные параметры элемента питания CR2450

Типоразмер R24
Размер, мм 24×24х5
Импульсный ток разряда, мА 15
Продолжительный ток разряда, мА 3
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 600
Рабочая температура, °C -20….70

Таблица 10. Основные параметры элемента питания CR2477

Типоразмер R24
Размер, мм 24×24х7,7
Импульсный ток разряда, мА 15
Продолжительный ток разряда, мА 15
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 1000
Рабочая температура, °C -20….70

Одной из узконаправленных линеек FANSO стали элементы питания таблеточного типа для эксплуатации на улице, способные выдерживать температуру окружающей среды до минус 40°С. В качестве примера можно привести CR2032T (таблица 11) (символ «Т» в названии обозначает готовность к температурным перепадам).

Таблица 11. Основные параметры элемента питания CR2032T

Типоразмер R20
Размер, мм 20×20
Импульсный ток разряда, мА 12
Продолжительный ток разряда, мА 4
Номинальное напряжение, В 3
Номинальная энергоемкость, мА⋅ч 220
Рабочая температура, °C -40….85

Новый параметр выбора

В ассортимент батареек, выпускающихся компанией FANSO, входят как узкоспециализированные виды источников питания (рисунок 9), только набирающие популярность среди разработчиков беспроводных датчиков, так и повсеместно используемые и обладающие широким спектром применения литиевые батарейки.

Рис. 9. Новой формой элементов питания стали ультратонкие батарейки, имеющие мягкую оболочку

Рис. 9. Новой формой элементов питания стали ультратонкие батарейки, имеющие мягкую оболочку

Однако последние внешнеполитические события выявили еще одно преимущество этого производителя, ставшее сейчас одним из важнейших: в отличие от европейских и японских брендов, продукция Fanso полностью доступна на российском рынке.

Этот производитель входит в состав китайской группы компаний EVE – одного из крупнейших производителей химических источников тока в мире, которого не коснулись ни санкционное давление на производителей и поставщиков, ни ответные импортозамещающие меры России. Продукция Fanso – более 28 миллионов разнообразных литиевых элементов в год – полностью доступна российским проектировщикам, конструкторам и пользователям беспроводных датчиков по практически неизменной цене.

При этом выгодная по соотношению цены и качества продукция обладает международными сертификатами системы менеджмента качества IS09001 и всеми необходимыми сертификатами соответствия как европейским стандартам, так и ЕАЭС.

•••

Наши информационные каналы

О компании Fanso EVE Energy

Компания FANSO EVE Energy является одним из мировых лидеров на рынке первичных литиевых элементов питания (литиевых батареек). Основной продукцией компании являются химические источники тока, выполненные на основе литий-тионилхлоридной (ER-Li-SOCl2; 3,6 В) и литий-диоксидмарганцевой (CR-Li-MnO2; 3,0 В) электрохимических систем. С 2006 года компания FANSO входит в холдинг мирового гиганта-производителя химических источников тока — EVE Energy Имеющиеся производственные мощности позволяют FAN ...читать далее

Товары
Наименование
ER14250H/S (FANSO)
ER14250H/2PT (FANSO)
ER14250H/P (FANSO)
ER14505H/S (FANSO)
ER14505H/3PT (FANSO)
ER14505H/P (FANSO)
CR123A/S (FANSO)
CR123A/SN (FANSO)
CR123A-/P (FANSO)
CP9V (FANSO)
CR1632 (FANSO)
BAT CR1632 BL1 (ANS)
CR1632-VBY2 (FANSO)
CR1632T (FANSO)
CR2032 (FANSO)
CR2032-VAY3-17.8 (FANSO)
CR2032T (FANSO)
CR2450 (FANSO)
CR2450-VAY3-17.8 (FANSO)
CR2450T-VAY3-17.8 (FANSO)