Как правильно подобрать батарейку для IoT-устройства, чтобы она работала 10 лет

21 мая

Михаил Варакин (г. Ишим)

Любой электронный прибор, в том числе IoT-устройство, нуждается в питании. Применение батарейки является наиболее простым и элегантным решением. Однако для такого источника тока нужна периодическая замена. На примере продукции FANSO разберем, какие параметры нужно учесть, чтобы батарейка исправно служила годы и даже десятилетие.

IoT-устройства относятся к электронному оборудованию, которое связано с облачной сетью. Это может быть как простой датчик, сообщающий о температуре в систему контроля помещения, так и прибор контроля состояния очень дорогого оборудования на крупном заводе.

Большинство узлов IoT устанавливается постфактум или в труднодоступных местах, поэтому подключение питания к ним невозможно: на крупных объектах подача тока для систем IoT может быть довольно дорогостоящей, протянуть новый силовой кабель – финансово затратно и трудоемко. Оптимальным решением для реализации питания таких удаленных узлов является батарейка.

Использование химического источника тока (ХИТ) требует строгого учета потребляемой мощности, чтобы обеспечить максимальный срок службы элемента, это влияет на общую стоимость решения. Еще один недостаток – необходимость постоянной замены элементов питания после разрядки. Речь идет не только о расходах на сам источник тока, но и о большом объеме человеческого труда, необходимого для замены и утилизации старой батарейки.

Если мы говорим о работе устройства продолжительностью 10 и более лет, то это означает, что батарейки должны работать основную часть времени в режиме микротоков и/или с возможными редкими периодами потребления повышенного тока (то есть устройства, которые постоянно работают с высоким значением тока или часто потребляют повышенный ток, просто не смогут питаться от батарейки долго, будет необходима замена ХИТ). К таким модулям относятся, например, датчики контроля, сообщающие по радиоканалу о свершении некоторого события, IoT-устройства, умные приборы учета ресурсов, такие как электросчетчики, счетчики газа, тепла, воды, а также датчики пожарно-охранной сигнализации и подобные устройства.

На первый взгляд может показаться, что выбор батареи для такой задачи очень прост. Однако в принятии решения необходимо учитывать такие аспекты, как температурный диапазон работы устройства, продолжительность его службу до следующей замены батареи и ее способность к повышенной токоотдаче в момент передачи данных радиомодуля. В некоторых случаях могут возникать и дополнительные требования, например, связанные с безопасностью химического источника тока.

Частые ошибки при выборе батареи для IoT

К ним относятся:

• неправильное определение требуемой емкости ХИТ;
• неспособность батарейки к требуемому импульсному току;
• игнорирование влияния дестабилизирующих факторов.

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 батарею на основе лития.

Для такого длительного срока работы самыми важными параметрами батарейки становятся запасенная энергия и способность ее хранить в процессе долгого срока службы (минимальный саморазряд), а также возможность функционировать при импульсной нагрузке, если это является одним из факторов алгоритма работы устройства.

Всем этим требованиям отвечают литиевые батарейки FANSO: тионил-хлоридные и диоксид-марганцевые (рисунок 1, таблица 1).

Рис. 1. Литиевые батарейки FANSO

Литий-тионилхлоридные батарейки

Источники питания Li/SOCl₂ отличаются очень хорошей ценой, небольшой массой и устойчивостью к морозу. Типовое значение напряжения составляет 3,6 В. От него питается большое число электронных компонентов и процессоров, что позволяет использовать такую батарею без повышающих или понижающих преобразователей. Недостаток – пассивация (пленка на аноде, образующаяся при производстве и хранении, которая разрушается под воздействием протекающего тока).

Литий-тионилхлоридные (3,6 В Li-SOCl₂) элементы питания разделены на два класса: бобинной и спиральной конструкции. Первые предназначены для питания приборов небольшим током в течение длительного времени, вторые следует применять, если требуется периодическое потребление энергии при повышенном токе. Их длительность использования несколько ниже, чем в случае с бобинной конструкцией, так как саморазряд такой батарейки выше.

Литий-диоксидмарганцевые элементы

Источники питания на основе диоксида марганца (3,0 В Li-MnO₂) обеспечивают высокое и стабильное рабочее напряжение, долговечны, безопасны и имеют низкий саморазряд. Они также предназначены для приложений, работающих как в импульсном, так и в непрерывном режиме. При этом их периодическое использование не является обязательным, поскольку диоксидмарганцевые батарейки свободны от эффекта пассивации.

Таблица 1. Основные типы и особенности цилиндрических литиевых батарей на примере продукции компании FANSO EVE Energy

Факторы, влияющие на срок службы батареи

В течение такого длительного периода времени, как 10 лет, на батарейку действуют различные факторы, которые ведут к ухудшению ее параметров. 

Ток и режим разряда

На рисунке 2 показан уровень напряжения на плоской батарее типа CR2032, разряжаемой непрерывным током 2…3 мА. При разряде батареи со скоростью, близкой к установленной в технической документации (менее 500 мкА), можно заметить, что разряд идет в соответствии с хорошо известным законом, и полная емкость батареи в 230…240 мА⋅ч может быть достигнута до того момента, когда напряжение падает до низкого уровня. Однако при увеличении тока разряда эффективная емкость батареи падает.

Рис. 2. Характеристики разряда плоской круглой батареи типа CR2032

Достижимая емкость батареи, которую также называют конечной рабочей точкой (КРТ), будет зависеть и от уровня напряжения. Это минимальный порог напряжения, при котором может работать электронная схема.

Допустим, приложение имеет КРТ, равную 2 В. Как видно из графика, изображенного на рисунке 2, при токе 2 мА батарея CR2032 может обеспечивать емкость в 210 мА⋅ч до того момента, как будет достигнута эта КРТ. Но если батарея разряжается током 2,5 мА, то КРТ достигается при емкости батареи в 175 мА⋅ч.

Импульсная нагрузка на литиевую батарею обычно оказывает более сильное влияние, чем постоянная, несмотря на то, что средний ток при импульсной и непрерывной нагрузках одинаков. Во время импульсной нагрузки большой амплитуды возникают два фактора, влияющих на поведение батареи:

• собственное сопротивление (IR) батареи вызывает мгновенное падение напряжения на ее выводах, которое пропорционально величине тока;
• напряжение ХИТ продолжает падать далее, правда, с меньшей скоростью, из-за поляризационного эффекта, вызванного электрохимическим процессом в батарее.

При воздействии импульсной нагрузки (рисунок 3) можно также увидеть, что чем короче ее импульс, тем меньше влияние электрохимического механизма разряда (то есть если длительность импульса тока уменьшается до нескольких мс, то собственное сопротивление батареи будет главным фактором ее разряда).

Рис. 3. Мгновенное изменение напряжения на батарее во время действия импульсной токовой нагрузки высокой амплитуды

Необходимо помнить и о том, что импульсный режим работы приводит неучтенному расходу лития, а это уменьшает срок службы батарейки. Подробнее об этом будет указано в разделе «Пассивация/депассивация батареек Li-SOCl₂».

Саморазряд батареи

Саморазряд – это явление, при котором напряжение батарейки со временем уменьшается, даже если она не подключена ко внешней нагрузке. Это вызвано химическими процессами внутри элемента питания. Заявленная производителями скорость саморазряда литиевых ХИТ, как правило, составляет 0,5…1,5% в год. В качестве примера на рисунке 4 приведен график изменения напряжения батареи EVE-CR2/3AL, которая была установлена в интеллектуальный датчик дыма.

Рис. 4. Графики изменения напряжения батареи

После десяти лет работы напряжение батареи составило более 2,6 В. Это – контрольный уровень, используемый для определения, разряжена ли батарея.

Токи утечек на плате и в схеме

На печатной плате два проводника с разностью потенциалов разделены изолирующим материалом, через который между ними может протекать некоторое количество тока. Разности потенциалов в ±10 В достаточно для создания ±10 нА тока утечки, в зависимости от проводимости изолятора. Пористость платы и материалов для паяльной маски приводит ко впитыванию воды даже во время изготовления устройства. Поскольку вода и другие жидкости, используемые в процессах производства печатных плат, полярны, они, как правило, обладают высокой проводимостью. Подложки печатных плат с более высоким содержанием влаги будут иметь и более высокий ток утечки, а значит, это еще больше уменьшит срок службы батареи.

Влияние температурных режимов

Высокие температуры ускоряют деградацию химических компонентов, что в течение длительного периода времени сокращает емкость батареи. Также существует риск термического разгона, при котором ХИТ может самовоспламениться или даже взорваться.

Низкие температуры замедляют химические реакции внутри батарейки, что приводит к снижению ее мощности и способности быстро отдавать ток. Из графика на рисунке 5 видно, как падает емкость в зависимости от тока разряда при разных значениях температуры. Минимальный уровень напряжения, при котором может работать электронная схема (в других случаях его называют конечной рабочей точкой – КРТ) также падает при похолодании. Это может привести к ситуации, когда на морозе напряжение понизилось, устройство вышло на передачу с повышенным током, а напряжение еще больше просело (повышенное внутреннее сопротивление батарейки) и стало ниже порогового уровня, из-за чего устройство отключилось. Как только оно перестает работать, напряжение батарейки восстанавливается, и прибор вновь попытается взять повышенный ток, таким образом ситуация зациклится: энергия из батарейки будет «высасываться», а устройство так и не сможет начать работать.

Оптимальный температурный диапазон для использования литиевых батарей находится в пределах 20…25°C. В этих условиях источники тока работают на пике своих возможностей, обеспечивая оптимальное сохранение энергетической емкости.

Для примера на рисунке 5 дан график зависимость емкости батареи ER14505H от тока разряда при различных значениях температуры.

Рис. 5. Зависимость емкости от тока разряда при различных температурах

Внутреннее (собственное) сопротивление батареи

Чтобы оценить влияние импульсов пикового тока для расчета напряжения на батарее под воздействием нагрузки, можно использовать формулу 1 для нахождения собственного сопротивления источника тока:

$$V=I\times R.\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Поскольку V = I⋅R находится по результатам измерений напряжения на батарее для конкретного тока, на его величину влияет ряд параметров изготовления ХИТ. На рисунке 6 приведены данные измерений эквивалентного собственного сопротивления батареи, а также величина I⋅R, указанная в документации на CR2032 (Energizer).

Рис. 6. Собственное сопротивление батареи типа CR2032

Как видно из приведенных графиков, величина I⋅R остается довольно постоянной, вне зависимости от периода следования импульсов и пиковых токов. Значение I⋅R, определенное на основе этих измерений, в общем случае меньше чем приведенное в технической документации. Это, как и ожидалось, связано с использованием более коротких импульсов и, следовательно, с меньшей поляризацией батарейки. В связи с этим минимальная длительность импульсов тока нагрузки и поддержание минимально возможного тока разряда между ними представляет собой одно из ключевых условий длительности работы батареи для устройств IoT. Таким образом, внутреннее сопротивление батареи существенно влияет на стабильность питания из-за падения напряжения на нем и, следовательно, снижения емкости.

Пассивация/депассивация батареек Li-SOCl₂

Пассивация – это процесс образования пленки хлорида лития на поверхности литиевого анода в процессе хранения элемента тока. Эта пленка имеет низкую проводимость и образуется из-за химической реакции, возникающей еще во время производства батарейки. Пассивация обеспечивает долгий срок хранения ХИТ вследствие низкой скорости саморазряда. В среднем литий-тионилхлоридный элемент теряет не более одного процента своей общей емкости в год. Однако эта образующаяся защитная пленка может стать препятствием для протекания тока при вводе батареи в эксплуатацию.

Депассивация – процесс разрушения этой пленки, который позволяет восстановить номинальное напряжение батарейки. Этот процесс может быть естественным и принудительным.

Если номинальное напряжение только что установленной батарейки при стандартном токе разряда находится выше 2,8 В, то при последующей непрерывной нагрузке оно самостоятельно повысится до своего нормального уровня 3,6 В, поскольку постепенно разрушится защитная пленка на аноде.

Когда номинальное напряжение не повышается или изначально находится в интервале 2,3…2,7 В, необходимо провести принудительную депассивацию. Для этого нужно подвергнуть батарейки кратковременному импульсу разрядного тока в 10…20 мА – такое действие должно разрушить или ослабить пассивную пленку на литиевом электроде.

При подключении нагрузки (возникновении тока в цепи) ионы лития разрушают пассивационный слой, и вместе с этим происходит расход лития, электролита и углерода (катодного материала). Причем для разрушения пассивационного слоя требуется определенное время (этот процесс не происходит мгновенно). При отключении нагрузки пассивационный слой начинает восстанавливаться, при этом дополнительно расходуется литий анода. Это очень важное явление означает, что литий в батарейке расходуется в обоих случаях: как при пассивации, так и при депассивации.

На практике это ведет к сокращению реального ресурса батарейки. Например, предположим, что наше устройство работает в импульсном режиме, и мы, проведя подробный расчет срока службы источника тока с учетом всех понятных нам аспектов, таких как влияние температуры, влажности, саморазряда, токов утечки и прочего, определили какой-то определенный срок службы. А на практике оказалось, что батарейка отработала меньше чем было рассчитано. Оказывается, мы просто не учли дополнительный расход активного вещества на пассивацию и депассивацию, которая происходит после каждого импульса потребления тока (рисунок 7). На рисунке площадь (энергия), ограниченная профилем разряда, меньше реально затраченной. Чем выше частота импульсов, тем больше неучтенного расхода энергии.

Рис. 7. Расход лития на восстановление пассивационной пленки после импульса тока

В настоящее время литиевые батарейки очень часто применяются в устройствах, работающих в ярко выраженном импульсном режиме. Это значит, что прибор длительное время находится в ждущем режиме с минимальным потреблением тока, составляющим единицы мкА, а по свершении какого-либо события включается для передачи информации, при этом потребляя ток несколько сотен мА или даже 1…2 А. В таком случае, если в приборе установлена батарейка после длительного хранения или режим микропотребления длился очень долго, переход на повышенное энергопотребление может и не произойти: элемент выдаст пониженное напряжение, и устройство просто не включится. Выход из положения – использовать сборку из батарейки и параллельно подключенного суперконденсатора с малым внутренним сопротивлением. В таком случае первые включения будут происходить за счет энергии, запасенной в суперконденсаторе, и одновременно будет происходить депассивация источника тока. Это решение немного удорожает устройство, но повышает надежность работы источника тока при отрицательной температуре и позволяет полнее использовать его энергию, которой будет больше чем при отсутствии суперкондесатора. Компания FANSO EVE Energy производит уже готовые сборки “батарея + суперконденсатор”, а также сами суперконденсаторы.

Влажность среды

Вода и другие жидкости могут быть абсорбированы во время производственных процессов, а влага может диффундировать на поверхность печатной платы во время хранения и эксплуатации. Со временем ток утечки печатной платы будет увеличиваться по всей ее поверхности, даже если она была подготовлена в условиях отсутствия влаги и тщательно выгазирована перед монтажом. Помимо влаги, на плате могут накапливаться мелкие частицы пыли, причем преимущественно в тех местах, где электрическое поле больше. Со временем влага и пыль способствуют увеличению тока утечки печатной платы, что также уменьшит срок службы батареи.

Разберем такое понятие, как коэффициент использования литиевой батарейки. Он определяет, какая часть энергии будет израсходована, а какая уйдет в потери.

Производители рекомендуют следующие значения коэффициента использования, в зависимости от среднего тока разряда и предполагаемого срока службы ХИТ:

• несколько десятков мА, ресурс 3…6 месяцев – 0,95;
• единицы мА, ресурс 2…3 года – 0,85…0,9;
• менее 1 мА, ресурс 3…5 лет – 0,6…0,7;
• единицы-десятки мкА, ресурс 5…10 лет – 0,5…0,6.

Из этого расчета видно, что чем больше ток потребления, тем выше коэффициент использования батареи, но меньше срок службы.

В реальности коэффициент использования емкости батареи никогда не равен 100%, поскольку непроизводительный расход активных компонентов есть всегда.

Далее проведем анализ источников тока применительно к возможным режимам работы устройства. Если оно постоянно работает в режиме микротоков, то наиболее правильным выбором будет литиевая тионилхлоридная батарейка бобинной конструкции (ER/H), поскольку она имеет низкий саморазряд и высокую номинальную емкость (таблица 2).

Таблица 2. Литий-тионилхлоридные батарейки FANSO бобинной конструкции

Ключевые особенности:

• длительный срок хранения (саморазряд около 1% при 25°C);
• металлостекляный герметичный корпус;
• невоспламеняемый электролит;
• широкий диапазон рабочих температур -55…85°C.

При работе устройства с периодическим потреблением повышенного тока могут быть применены литий-тионилхлоридные батарейки как бобинные (ER/H) с токами разряда до 500 мА, так и спиральной конструкции (ER/M) с токами разряда до 1800 мА, также свободные от пассивации литий-диоксидмарганцевые (CR, СP) с токами разряда до 1000мА (таблицы 3 и 4).

Таблица 3. Литий-тионилхлоридные батарейки FANSO спиральной конструкции

Ключевые особенности:

• длительный срок хранения (саморазряд около 3% при 25°C);
• нержавеющий герметичный корпус;
• невоспламеняемый электролит;
• широкий диапазон рабочих температур -55…80/85°C;
• высокая стабильность напряжения.

Таблица 4. Литий-диоксидмарганцевые батарейки FANSO

Ключевые особенности:

• длительный срок хранения (саморазряд около 2% при 25°C);
• никелированный герметичный корпус;
• диапазон рабочих температур:
• у цилиндрических -40…85°C;
• у дисковых -20…60°C.

Если для длительного периода работы (порядка 10 лет) по параметрам необходима батарейка диоксид-марганцевой системы типа CR123, то лучше выбирать ее аналог – CR17335E. Дело в том, что конструкция корпуса батарейки CR123 не совсем подходит для столь длительного использования (металл/пластик) и со временем нарушается герметичность, а влажность среды приводит к ускоренному саморазряду (деградации). В отличие от нее, корпус CR17335E – металлостеклянный, он обеспечивает высокую герметичность в долгосрочной перспективе.

Практические рекомендации по подбору батареи

Емкость источника тока рассчитывается по формуле 2:

$$Q=\frac{(P\times t)}{V},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где:

• Q – рассчитываемая емкость в ампер-часах;
• P – подключаемая нагрузка в ваттах (например, 0,01 Вт);
• V – напряжение батареи в вольтах (3,0 В);
• t – необходимое время непрерывной работы (240 ч).

Вычисляем емкость: 0,01 × 240/3,0 = 0,8 А⋅ч = 800 мА⋅ч.

Полученный результат необходимо соотнести с рассмотренным выше коэффициентом использования батарейки.

Также на выбор подходящей батарейки влияет учет реальных условий эксплуатации. Чтобы уберечь литиевый источник тока от быстрого уменьшения эксплуатационного ресурса, нужно использовать и хранить его в рамках рекомендованного производителем диапазона температур и влажности. Оптимальная температура хранения литиевых батарей составляет 15°С, а лучшим для эксплуатации является диапазон 20…25°С. Влажность в помещении тоже является немаловажным фактором и в идеале должна составлять 50%.

Перед массовой установкой литиевых батарей важно провести хотя бы выборочное тестирование. В процессе проверки ХИТ нагружают номинальным током и контролируют такие параметры, как напряжение и разрядный ток. Внутреннее сопротивление, емкость батареи и время разряда вычисляются математически при тестировании простыми приборами (вольтметром, миллиамперметром) или рассчитываются с помощью ПО более сложных устройств (рисунок 8).

Рис. 8. Перед массовой установкой ХИТ необходимо хотя бы выборочное тестирование

Таким образом, при выборе батарейки, предназначенной для длительного периода работы, нужно постараться учесть множество факторов, от которых зависят основные параметры источника тока. Для продления срока службы не следует использовать ХИТ на пределе его возможностей, а соблюдение указанных рекомендаций позволит достичь большого срока жизни вашего IoT-устройства, которое может работать десять и более лет.

Батарейки FANSO доступны как со склада, так и под заказ. Подобрать нужную модель вы можете через наш каталог: литий-тионилхлоридные (LiSOCl₂) и литий-диоксидмарганцевые (LiMnO₂).

Узнать актуальные цены, сроки поставок и оформить заказ можно через вашего менеджера в КОМПЭЛ.

Дополнительные материалы

1. Выбор батареек для промышленных и бытовых устройств интернета вещей
2. Секреты депассивации литиевых батареек FANSO EVE Energy
3. ER10450 – литий-тионилхлоридная батарейка FANSO EVE Energy формата ААА
4. Обзор литиевых батареек и аккумуляторов FANSO и EVE. Особенности выбора батареек для импульсных устройств (материалы вебинара)
5. Технология правильного хранения аккумуляторов и батареек по рекомендациям FANSO и EVE Energy
6. Влияние температуры на параметры и срок службы литиевых батарей
7. Литий-тионилхлоридные батарейки – большая энергия в миниатюрном корпусе