实现远程无线设备的长电池寿命

工业物联网(IIoT)为电池供电设备的应用创造了增长机会，包括监控和数据采集(SCADA)、自动化过程控制、质量保证、资产管理、安全系统、机器对机器(M2M)接口等。

长寿命锂电池通过使某些低功耗设备免维护运行长达40年，从而降低了总拥有成本(TCO)。延长电池寿命涉及各种节能技术，其中每年自放电是最重要的考虑因素。

Lithium-powered IIoT

工业物联网正在将无线连接扩展到偏远地区和具有挑战性的环境。一个典型的例子是现代油田，平均使用30,000个传感器，其中许多传感器可以使用各种低功耗通信协议进行联网，例如IEEE 802.15.4e、LoRA、WirelessHART、WiFi和蜂窝技术。

在早期，工业自动化通常依赖于HART协议。由于硬布线成本高，许多支持hart的设备没有完全联网和集成，估计每英尺约为100美元，对于偏远地区和极端环境来说，这一成本要高得多。远程无线技术的进步消除了这一障碍。

如果远程无线设备需要较长的工作寿命和较低的日常能耗(微安)，它可能会由工业级初级(不可充电)锂电池供电。如果该设备每天的平均电流足以耗尽一次电池(毫安)，那么它可能非常适合与锂离子(Li-ion)可充电电池结合使用。

如何选择工业级电池

指定工业级锂电池涉及技术方面的考虑，例如在主动模式下消耗的电流量，其中包括尺寸，持续时间和脉冲频率。用户还需要考虑存储时间，热环境和设备截止电压，因为它可能会下降到太低的点，传感器无法在极端环境中工作。

其他考虑因素包括:

• 可靠性-地点是否使更换电池变得困难或不可能?
• 〇使用寿命长如果电池的自放电率几乎等于或大于平均日能耗，则可能需要使用大容量电池。
• 小型化,具有高容量和高能量密度的电池可以实现更小的足迹。
• 扩大温度范围-极端温度会影响电池自放电。
• 〇更高的电压使用更高电压的电池可以减少电池的数量。
• 〇终身成本拥有成本的计算必须考虑到与未来电池更换和电池故障风险相关的费用。

锂电池的选择

锂化学由于其固有的高负电位，超过了所有其他金属，因此更适合长期部署。作为最轻的非气态金属，锂在所有可用的电池化学物质中具有最高的比能(单位重量的能量)和能量密度(单位体积的能量)。锂电池的正常工作电流电压(OCV)范围为2.7至3.6V。

许多原生锂化学物质都是可用的，包括二硫酸铁(life)₂)、二氧化锰锂(LiMNO)₂)、亚硫酰氯锂(LiSOCl)₂)和锂金属氧化物化学。

二硫酸铁锂₂)电池通常用于提供高脉冲，为相机闪光灯供电。它们的特点是温度范围窄(-20至60°C)，年自放电率高，密封卷曲，可能会泄漏。

二氧化锰锂(LiMNO)₂电池为照相机和玩具提供动力。一个节省空间的3V LiMNO₂这种电池可以代替两个1.5V的碱性电池，提供适度的脉冲，但存在初始电压低、温度范围窄、自放电率高、密封卷曲等缺点。

氯化亚硫酰锂(LiSOCl₂电池有两种构造方式:筒式和螺旋缠绕式。Bobbin-type LiSOCl₂电池的年自放电极低，非常适合自动抄表(AMR)、M2M、SCADA、油箱液位监测、资产跟踪、环境传感器和其他远程应用。

Bobbin-type LiSOCl₂电池具有任何锂电池中最高的容量和最高的能量密度，以及低的年自放电(某些电池每年0.7%)，允许长达40年的电池寿命。这些细胞提供宽的温度范围(-80至125°C)，这是适应冷链监测运输的冷冻食品，药品，组织样本，移植器官在-80°C。这些电池也可以适应高温，包括医用高压灭菌器灭菌(125°C)。

电力双向无线通信

远程无线应用越来越需要周期性高脉冲来为先进的双向无线通信提供动力。标准筒式LiSOCl₂由于其低速率设计，电池不能提供高脉冲。然而，它们可以与像可充电电池一样工作的混合层电容器(HLC)相结合，以提供周期性的高脉冲。HLC还具有寿命终止电压平台，可实现“低电量”状态警报。

超级电容器在消费产品中执行类似的功能，但通常不建议用于工业应用。

能量收集是一个不断增长的利基市场

那些每天平均消耗足够的电流而过早耗尽一次锂电池(毫安)的应用可能非常适合能量收集。光伏(PV)板是最常见的能量收集形式。

其中一个例子是太阳能跟踪设备，用于监测畜群的健康和状态。另一个例子是太阳能停车计费器，它收费并识别开放的停车位，以减少污染和交通拥堵。

能量收集装置通常与可充电的锂离子电池一起工作，以储存收集到的能量。

消费级锂离子电池的有限使用寿命为5年，充电周期为500次，温度范围适中(0至40°C)，没有高脉冲能力。长期部署通常需要使用工业级可充电锂离子电池(见表)，该电池可运行长达20年，并可进行5000次完全充电循环，温度范围可扩展至-40°C至85°C，并能够为双向无线通信提供周期性高脉冲。这些坚固的电池也具有密封。

选择合适的电池

并非所有的电池都是一样的。例如，筒式LiSOCl的年自放电率₂细胞的制造方式不同，差异很大。高品质的筒式LiSOCl₂电池年自放电率低至0.7%，40年后仍能保持原来容量的70%以上。相比之下，较低质量的筒式LiSOCl₂电池的自放电率高达每年3%，每10年就会损失30%的可用容量，这使得电池无法使用40年。

在指定电池时，选择与设备寿命一样长的电源通常具有经济意义，从而消除了未来更换电池的需要并最大限度地降低了TCO。

然而，高自放电率的影响可能不会在数年内变得明显，也可能不会被理论测试数据记录。在评估供应商时，重要的是需要完整记录的长期测试结果，以及客户推荐和在类似环境中运行的等效设备的现场性能数据，以便做出明智的决策。

索尔·雅各布斯是副总裁兼总经理，Tadiran电池．克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

更多的见解

关键词:锂电池，能源效率，发电

许多不同的锂电池服务于特定的应用。

指定与电池寿命一样长的电源。

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