Выбор батареек для промышленных и бытовых устройств интернета вещей

29 ноября 2022

учёт ресурсовпотребительская электроникаавтоматизацияинтернет вещейуниверсальное применениеPOWER FLASHFANSO EVE Energyстатьяисточники питаниябатарейное питаниеЛитиевые батарейкиКронаААААА

Сергей Миронов (Компэл)

Как выбрать химические источники тока (ХИТ, батарейки) для устройств промышленного и бытового интернета вещей? В чем различие критериев выбора и ключевых параметров? Какие изделия популярных брендов FANSO и POWER FLASH удовлетворяют этим критериям?
Обо всем этом рассказывает ведущий инженер компании КОМПЭЛ по модулям питания и химическим источникам тока.

Долгое время в интернет могли выходить только компьютеры и смартфоны. Сейчас это могут делать и другие бытовые и промышленные приборы и устройства, которые являются частью интернета вещей (IoT; Internet of Things). Подобные устройства, объединенные в общую сеть, собирают данные, обрабатывают их и обмениваются ими между собой без участия или с минимальным участием человека, а затем производят действия, направленные на повышение качества и удобства нашей жизни и среды обитания.

В настоящее время выделяют два типа IoT – обычный (бытовой) и промышленный (индустриальный). Классический пример бытового интернета вещей – это система «умный дом», в которой устройства взаимодействуют друг с другом и могут управляться удаленно. В нее входят охрана дома, климат-контроль, умные бытовые приборы и прочее. А индустриальный интернет вещей (IIoT) используется на предприятиях, складах и в лабораториях. Его основная задача – упростить и автоматизировать производственно-технологические процессы. В IIoT входят различные датчики на технологическом оборудовании; маячки, отслеживающие груз; датчики на системах автотранспорта и другие устройства.

По сути, задачи бытового и индустриального интернета вещей схожи, но в случае с промышленным предприятием должна быть предусмотрена возможность работы при отрицательной или повышенной положительной температурах. Налицо разная стоимость ошибки. Если бытовой прибор сам не включится, то его придётся включить вручную. Это неприятно, но не трагично. Если не сработает датчик на оборудовании, это может привести к сбою в производстве и к существенным убыткам. Поэтому в промышленном интернете вещей приходится разрабатывать и использовать отказоустойчивые и дублирующие системы и выбирать надежные компоненты.

На рисунке 1 показана типовая блок-схема устройства интернета вещей.

Рис. 1. Блок-схема IoT-устройства

Рис. 1. Блок-схема IoT-устройства

Датчик – это чувствительный элемент, контактирующий с окружающей средой или с объектом контроля.

Микроконтроллер осуществляет прием информации от датчика и от радиомодуля, ее обработку и выдачу конечного результата на актуатор (исполнительное устройство) и обратно на радиомодуль. Посредством радиомодуля устройство интегрируется в общую информационную сеть и имеет возможность обмениваться данными с другими устройствами и/или с человеком.

На первый взгляд может показаться, что в выборе источника питания (ИП) для приведенной схемы нет ничего сложного. Это может быть либо ИП в виде AC/DC-преобразователя, если устройство подключается к сети электроснабжения, или химический источник тока (ХИТ; батарейка) в случае, когда устройство является автономным и не связано с электросетью. В настоящей статье рассматриваются особенности выбора батареек.

Сложность выбора ХИТ связана с такими аспектами как температурный диапазон работы устройства, продолжительность его работы до следующей замены батарейки и способность батарейки к повышенной токоотдаче в момент работы радиомодуля. В некоторых случаях могут возникать и дополнительные требования, например связанные с безопасностью химического источника тока при использовании его на транспорте [1].

Если IoT-устройство планируется использовать в умном доме, оптимальным выбором будут обычные алкалиновые батарейки. Выбор подобных батареек является достаточно простым, поскольку в нормальных условиях эксплуатации практически все они обладают неплохими параметрами по токоотдаче и по емкости. Имеет значение лишь предпочтение того или иного производителя или фактор цены. Например, на российском рынке сейчас появился новый производитель алкалиновых батареек POWER FLASH, который по различным тестам показывает одно из лучших, если не самое лучшее соотношение «цена-качество» [2]. Информация о POWER FLASH представлена в настоящей статье ниже.

ХИТ для промышленных IoT-устройств

Если требуется работа устройства в широком промышленном температурном диапазоне, например -30/40…60/85°C, и максимально длительный интервал между заменами элемента питания, необходимо выбирать батарейку на основе лития. Именно этот тип батареек в настоящее время обладает хорошей энергоемкостью и способен работать при отрицательных температурах с допустимым снижением основных параметров. Поскольку существует несколько разновидностей этого типа батареек, их выбор связан с определенными трудностями, и важно не ошибиться и не запутаться. Выбору этого типа элемента питания посвящена основная часть статьи.

Батарейки на основе лития изготавливаются по нескольким электрохимическим системам. В гражданском приборостроении в основном используются две электрохимические системы: литий-диоксид марганцевая (Li-MnO2) и литий-тионилхлоридная (Li-SOCl2). В свою очередь, батарейки этих систем изготавливаются в двух конструктивных вариантах: бобинная и спиральная конструкции. Каждая из этих батареек, в зависимости от электрохимической системы и конструктивного варианта, обладает определенными особенностями (таблица 1). Наиболее важными в данной ситуации являются такие показатели как емкость (запасенная энергия) и способность к токоотдаче. В таблице 1 эти параметры условно показаны в виде “+”: чем их больше, тем лучше.

Таблица 1. Основные типы и особенности цилиндрических литиевых ХИТ

Параметр/Тип Литий-тионилхлоридная
(Li-SOCl2)
Литий-диоксидмарганцевая
(Li-MnO2)
Форм-фактор цилиндрический
Напряжение (ном.), В 3,6 3,0
Конструкция батарейки Бобинная Спиральная Бобинная Спиральная
Температурный диапазон, °С -55…85 -55…80 -40…85 -40…70
Токоотдача + +++ ++ ++++
Энергоемкость ++++ +++ ++ +
Пассивация есть практически нет

Беспроводные устройства IoT-технологий часто работают в импульсном режиме. Какое-то время они «спят» и при этом потребляют небольшой ток. Затем при наступлении некоторого события устройство выходит на связь. В этот момент оно должно зарегистрироваться в сети и передать данные, а также может включить исполнительное устройство, если это предусмотрено.

Такие беспроводные устройства используют различные протоколы и способы связи. В статье не ставится цель описать эти способы и протоколы, но при выборе автономного источника питания важным является энергопотребление IoT-устройства, на чем мы и сосредоточим внимание.

В момент передачи данных IoT-устройства могут потреблять незначительную энергию (десятки-сотни мВт в импульсе), если они находятся рядом или работают в общей Wi-Fi-сети, но могут и значительную (единицы ватт в импульсе), если связь осуществляется с использованием сети GSM. И в том и в другом случае на выбор предлагаются батарейки разного типа.

Как видно из таблицы 1, батарейки бобинной конструкции обладают повышенной емкостью (у тионилхлоридных она максимальная, а у диоксидмарганцевых немного меньше), но невысокой токоотдачей. Батарейки этой конструкции не способны выдать продолжительный ток высокого значения. Они рассчитаны на потребление небольших токов (до нескольких десятков миллиампер), но при этом отработают максимально долго. В принципе, эти батарейки могут выдать импульсный ток до нескольких сотен миллиампер (в зависимости от их типоразмера), но длительность этого импульса, как правило, ограничена 100 мсек. (для Li-SOCl2), и то – с некоторыми оговорками [3]. После 100 миллисекунд напряжение может начать снижаться. Такой продолжительности импульса может не хватить для того, чтобы устройство успело при выходе на связь зарегистрироваться в сети и передать данные.

Батарейки бобинной конструкции, как правило, используются в устройствах, где требуется постоянное потребление тока невысокого значения (питание часов реального времени, энергозависимой памяти и т.п.). Тем не менее, если для IoT-устройства достаточно импульса тока на уровне нескольких десятков миллиампер, то и их можно применять. При этом такие элементы питания покажут самую продолжительную работу устройства до очередной замены батарейки. Дополнительно продлить время работы устройства от батареек данного типа можно, если параллельно подключить к ним суперконденсатор с низким внутренним сопротивлением и низким током утечки. Такая связка позволит и увеличить импульс тока (вплоть до единиц ампер) и облегчить режим работы самой батарейки, особенно это актуально в области отрицательной температуры. Следствием использования такого комплекта является возможность взять от этой батарейки энергию по максимуму. Причем если правильно подобрать емкость суперконденсатора, то и длительность импульса тока тоже можно увеличить. Если в устройстве предполагается замена батареи пользователем, то суперконденсатор можно расположить на плате основного устройства, и у пользователя не будет особого труда найти элемент питания для его замены.

Литий-тионилхлоридные батарейки бобинной конструкции в цилиндрическом формате хорошо представлены на российском рынке компанией  FANSO EVE Energy (рисунок 2; таблица 2). Кстати, этот же производитель выпускает и готовые сборки с суперконденсатором (рисунок 3).

Рис. 2. Внешний вид батареек бобинной конструкции FANSO EVE Energy

Рис. 2. Внешний вид батареек бобинной конструкции FANSO EVE Energy

Таблица 2. Основные параметры литиевых батареек бобинной конструкции FANSO EVE Energy (все данные приведены для температуры 25°С и для батареек, хранившихся не более одного месяца)

Наименование Емкость, мА⋅ч Непрерывный  ток, мА Импульсный ток, мА Длительность импульса, сек Температурный диапазон, °С
Литий-тионилхлоридные (Li-SOCl2; напряжение 3,6 В)
ER14250H 1200 15 50 0,1 (не чаще 1 раз в 2 минуты) -55…85
ER14505H 2700 60 150
ER17505H 3600 70 180
ER18505H 4000 70 180
ER26500H 8500 100 200
ER34615H 19000 150 300
Литий-диоксидмарганцевые (Li-MnO2; напряжение 3,0 В)
CR14250H 950 7 70 15 -40…85

Рис. 3. Внешний вид сборки батарейки ER34615H с суперконденсатором SLC1025

Рис. 3. Внешний вид сборки батарейки ER34615H с суперконденсатором SLC1025

Можно заказать подобную сборку, состоящую из литий-тионилхлоридной батарейки бобинной конструкции (ER14505H, ER18505H, ER26500H, ER34615H) и суперконденсатора. Суперконденсаторы отличаются емкостью и, соответственно, размером. Имеются на выбор следующие их типы: SLC1025, SCL1520, SLC1550.

В случае, когда IoT-устройство работает в GSM-сети и ему требуется высокое значение импульса тока (до нескольких ампер), лучше обратить внимание на батарейки спиральной конструкции. В таблице 1 мы видим, что лучший результат имеют батарейки литий-диоксидмарганцевой электрохимической системы, и немного худший результат – у литий-тионилхлоридных батареек. Это связано с тем, что литий-диоксидмарганцевые батарейки обладают заявленной длительностью импульса тока до 15 секунд, а литий-тионилхлоридные батарейки – на уровне тех же 100 миллисекунд, хотя амплитудой – до нескольких ампер (в зависимости от типоразмера). Длительности импульса до 15 секунд с большим запасом хватит, чтобы зарегистрироваться в сети, передать данные и включить исполнительное устройство. К тому же, батарейки этого типа не обладают эффектом пассивации. Что такое пассивация, можно узнать в [4].

Литий-диоксидмарганцевые батарейки также имеются в широком ассортименте в линейке продукции FANSO EVE Energy. (рисунок 4; таблица 3).

Рис. 4. Внешний вид батареек спиральной конструкции FANSO EVE Energy

Рис. 4. Внешний вид батареек спиральной конструкции FANSO EVE Energy

Таблица 3. Основные параметры литиевых батареек спиральной конструкции FANSO EVE Energy (все данные приведены для температуры 25°С и для батареек, хранившихся не более одного месяца)

Наименование Емкость, мА⋅ч Непрерывный  ток, мА Импульсный ток, мА Длительность импульса, сек Температурный диапазон, °С
Литий-тионилхлоридные (Li-SOCl2; напряжение 3,6 В)
ER14505M 2100 400 800 0,1 (не чаще 1 раз в 2 минуты) -55…80
ER18505M 3500 800 1200
ER26500M 6000 1000 2000
ER34615M 13000 1800 3500
Литий-диоксидмарганцевые (Li-MnO2; напряжение 3,0 В)
CR123A 1500 1000 2500 15 -40…85
CR17335E 1500 1000 2500
CR17450E 2200 1500 2500 -40…70
CR26500E 5000 1500 3000
CR34615E 12000 2000 3000

В таблице 3 пытливый взгляд может заметить, что имеется два типа батареек с одинаковыми параметрами – CR123A и CR17335E, причем размеры у них тоже одинаковые (в таблице размеры не показаны) (рисунок 5).

Рис. 5. Внешний вид батареек CR123A и CR17335E

Рис. 5. Внешний вид батареек CR123A и CR17335E

Почему в номенклатуре производителя присутствуют два одинаковых товара? Наверное, между ними есть какая-то разница? Да, действительно, эта разница неочевидная, но принципиальная, и она заключается в степени герметичности конструкции батарейки. Герметичность – важный параметр, если рассматривается период эксплуатации батарейки более чем 5 лет. Дело в том, что в воздухе всегда содержится влага, а литий и влага – вещи несовместимые. Содержащаяся в воздухе влага проникает в батарейку, и это ведет к дополнительному расходу лития. В краткосрочной перспективе это не оказывает заметного влияния, но если рассматривается длительный вариант работы батарейки в устройстве, например, 10…12 лет или более, влага ощутимо повлияет на расход лития, что сократит срок службы батарейки. Такой длительный срок службы требуется, как правило, приборам учета энергоресурсов (электросчетчики), именно для них, при подходящих прочих параметрах, правильным будет выбор батарейки CR17335E, обладающей максимальной степенью герметичности и вследствие этого – несколько более высокой стоимостью, чем CR123A.

В тех же приложениях, где между заменами элемента питания достаточно срока до 5 лет, наибольшую популярность нашла батарейка CR123A. Таковыми является большинство устройств IoT.

Для изготовления батарейки CR123A компания FANSO EVE Energy использует полностью автоматизированную производственную линию, работа которой исключает человеческий фактор. В результате батарейка CR123A имеет отличную повторяемость параметров и способна в полной мере заменить аналогичную продукцию европейских и японских производителей.

Если же емкости указанной батарейки для конкретного устройства недостаточно, следует обратить внимание на другие батарейки этой группы вплоть до CR34615E (таблица 3). Емкости этой батарейки должно хватить для любых IoT-устройств.

Для рассматриваемой группы батареек нижняя граничная температура имеет значение -40°С. Даже параметры литиевых батареек зависят от температуры эксплуатации. При пониженной температуре замедляются химические реакции, что ведет к увеличению внутреннего сопротивления, а это, в свою очередь, приводит к понижению напряжения на нагрузке (особенно в импульсе тока) и к снижению эффективного значения емкости. Это необходимо принимать во внимание и тщательно подходить к выбору батарейки, проведя необходимые испытания и консультации с производителем или обратившись за помощью к дистрибьютору. Если действительно требуется надежная работа при температуре -40°С, лучше предусмотреть некоторый запас и выбрать батарейку литий-тионилхлоридной системы с граничной температурой до -55°С. Может быть, даже в этом случае ее придется использовать и вместе с суперконденсатором. Для уточнения потребуются дополнительные расчеты и испытания.

ХИТ для бытовых IoT-устройств (умный дом)

Как уже упоминалось выше, для бытовых IoT-устройств можно использовать обыкновенные алкалиновые батарейки напряжением 1,5 В. Выбор таких изделий очень широк, особых нюансов при этом не возникает. Но, выбирая батарейку того или иного производителя, всегда хочется быть уверенным, что этот выбор оптимален и с технической, и с экономической стороны. Чтобы найти элемент питания, удовлетворяющий поставленным целям, можно провести собственное тестирование ряда батареек определенных производителей и выбрать наиболее оптимальный продукт. Провести тестирование на разряд не так уж сложно и трудозатратно.

Для выбора батареек данного типа автором статьи было проведено сравнительное тестирование продукции производителя POWER FLASH с продукцией некоторых широко известных производителей. Его результаты представлены здесь.

Тестирование показало, что продукция POWER FLASH обладает лучшим соотношением «цена-качество». При этом показатели продолжительности работы оказались на одном уровне с продукцией именитого европейского производителя.

Компания POWER FLASH выпускает весь спектр алкалиновых батареек, которые с успехом могут использоваться в бытовом сегменте IoT-устройств (рисунок 6; таблица 4).

Батарейки данного производителя выпускаются в двух видах упаковки: блистерной и промышленной, – каждая из которых может содержать различное количество элементов питания. Отличить их можно по окончанию в обозначении. Блистерная упаковка может содержать 2 или 4 элемента и обозначается, соответственно, B2 и B4, а промышленная может содержать 4 или 10 элементов в общей полиэтиленовой пленке и обозначается как S4 или S10. Например, LR6 SUPER B4 (4 штуки в блистере) или LR03 ULTRA S10 (10 штук в промышленной упаковке). Для большего удобства количество элементов питания, содержащихся в одной промышленной упаковке, можно изменить по договоренности с производителем.

Из таблицы видно, что батарейки типоразмеров AA и AAA выпускаются в трех модификациях, различающихся емкостью и, соответственно, стоимостью (стоимость в таблице не показана). Такое разнообразие позволяет наилучшим образом выбрать изделие. Если имеется ограничение по бюджету, можно выбрать вариант ECONOMY, а если требуются максимальные параметры, лучшим решением будет вариант ULTRA. Вариант SUPER – оптимальный выбор и по параметрам, и по стоимости.

Рис. 6. Внешний вид батареек POWER FLASH

Рис. 6. Внешний вид батареек POWER FLASH

Таблица 4. Основные параметры алкалиновых (щелочных) батареек POWER FLASH (все данные приведены для температуры 20°С и для батареек хранившихся не более одного месяца)

Наименование Типоразмер Напряжение (ном.), В Емкость, мА⋅ч
LR03 ECONOMY AAA 1,5 1000
LR03 SUPER 1100
LR03 ULTRA 1200
LR6 ECONOMY AA 2100
LR6 SUPER 2300
LR6 ULTRA 2500
LR14-B2 C Size C 6700
LR20-B2 D Size D 12000
6LR61-B1 Крона 9 450

Рынок IoT-устройств из года в год стремительно растет. По самым скромным данным от компании International Data Corporation (IDC) рынок промышленного интернета вещей (IIoT) в России к 2025 году достигнет 8,5 млрд. рублей, а по самым оптимистичным – 600 млрд. рублей (ГидМаркет). Поскольку разница в оценке огромна, скорее всего, имеет место ошибка или неверный выбор исходных данных; тем не менее, и в том и в другом случае это миллиарды рублей.

В настоящее время это направление является перспективным и востребованным, поэтому выбор надежных компонентов и поставщиков для реализации подобных устройств является важным и положительным аспектом в условиях имеющейся в данном сегменте рынка конкуренции.

Дополнительная информация

  1. Литиевые батарейки FANSO EVE Energy для автомобильных GPS/ГЛОНАСС-устройств
  2. Тестирование алкалиновых батареек POWER FLASH: параметры подтвердились
  3. Важные «мелочи» в технической документации: выбираем оптимальную батарейку FANSO EVE Energy
  4. Секреты депассивации литиевых батареек FANSO EVE Energy

Приобрести оптовые количества продукции FANSO и POWER FLASH вы можете обратившись к вашим менеджерам в Компэл или оставив запрос на нашем сайте.

•••

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
ER14505H/S (FANSO)
 
ER14505M/S (FANSO)
 
ER14505H/3PT (FANSO)
 
CR123A/S (FANSO)
 

CR123A/S (EVE)
CR123A/S-10 (FANSO)
 
CR123A (FANSO)
 
CR26500E (FANSO)
 
CR26500E-LD/-EHR-02 (FANSO)
 
LR03 ECONOMY B4 (P-FLASH)
 
LR03 ECONOMY S10 (P-FLASH)
 
LR03 ECONOMY S4 (P-FLASH)
 
LR03 SUPER B4 (P-FLASH)
 
LR03 SUPER S4 (P-FLASH)
 
LR03 SUPER 24 (P-FLASH)
 
LR03 ULTRA S10 (P-FLASH)
 
LR03 ULTRA B4 (P-FLASH)
 
LR03 ULTRA B2 (P-FLASH)
 
LR6 ECONOMY B4 (P-FLASH)
 
LR6 ECONOMY S10 (P-FLASH)
 
LR6 ECONOMY S4 (P-FLASH)