为自动化和工业物联网无线供电
电池供电的解决方案正在将工业自动化领域扩展到几乎所有外部环境，使远程无线设备在整个工业物联网(IIoT)中蓬勃发展。
工业自动化不再局限于工厂车间。在无线通信和先进锂电池技术的帮助下，这一领域正在迅速扩大，以适应日益偏远和恶劣的环境。
无线技术的爆炸式发展推动了工业物联网(IIoT)的快速扩张，使数十亿台无线设备从电网中解放出来，实现无缝联网和集成。电池供电设备几乎为所有工业部门带来了无线连接，包括过程控制、资产管理、机器对机器、系统和系统控制和数据自动化、交通基础设施、能源生产、环境监测、制造、分销、医疗保健和智能建筑等等。
这种增长激增的关键是低功耗通信协议的发展，如无线个域网，WirelessHART,罗拉(远程、低功耗无线平台)，以及允许双向无线通信同时延长电池寿命的相关技术。
例如，高速公路可寻址远程传感器几十年来，通信协议一直是智能现场仪器和主机系统之间的关键链接，采用与模拟电话中发现的来电显示技术相同的技术，并通过传统的4-20 mA模拟布线进行操作。然而，在过去，由于初始费用高昂，对硬布线的要求严重限制了支持hart的设备的部署，因为安装任何有线连接，甚至是一个基本的电气开关，每英尺的成本约为100美元。在偏远、环境敏感的地区，这种成本障碍变得更加成问题，因为复杂的物流、监管和许可要求会导致费用飙升。WirelessHART协议的开发消除了所有这些限制。
选择理想的电源
绝大多数远程无线设备都是由一次(不可充电的)锂电池供电。此外，某些应用非常适合由能量收集设备与可充电锂离子(Li-ion)电池一起供电，以存储收集的能量。
应用越偏远，就越有可能需要工业级锂电池。如果设备易于获取并且在适中的温度范围内工作，那么廉价的消费级电池就足够了。然而，更换消费级电池的成本可能远远超过电池本身的价格，导致总拥有成本急剧上升。例如，想象一下，必须更换位于海底的地震监测系统或连接在桥台上的应力传感器中的电池。
指定工业级电池涉及多个参数，例如在主动模式下消耗的能量(包括脉冲的大小、持续时间和频率);休眠模式消耗的能量(基极电流);储存时间(因为储存期间正常自放电会减少容量);热环境(包括储存和现场操作);设备截止电压(当电池容量耗尽时，或在极端温度下，电压会降至传感器无法工作的低水平);电池自放电率(可高于平均传感器使用的电流);还有成本方面的考虑。工业级锂电池通常被推荐用于以下需求的应用:
- 可靠性:传感器位于难以到达或无法更换电池的位置，数据链路不能因电池损坏而中断。
- 使用寿命长:电池的自放电率可以超过电池的设备使用率，因此电池初始容量必须尽可能高。
- 宽工作温度:对于极热或极冷的环境尤其重要。
- 小尺寸:当需要较小的外形尺寸时，电池的能量密度必须尽可能高。
- 电压:更高的电压需要更少的电池。
- 生命周期成本:必须考虑到一段时间内的重置成本。
权衡往往是不可避免的，所以重要的是优先考虑你想要的电池性能属性。
一次锂电池的选择
锂电池化学是长期部署的首选，因为其固有的负电位超过了所有其他金属。锂是最轻的非气态金属，在所有可用的电池化学物质中提供最高的比能(单位重量的能量)和能量密度(单位体积的能量)。锂电池，全部使用非水电解质，正常工作电流电压范围在2.7到3.6 V之间。没有水使得锂电池能够承受更极端的温度。
许多初级锂化学物质都是可用的，包括二硫酸铁锂(life2)、二氧化锰锂(LiMnO2)、亚硫酰氯锂(Li-SOCl)2)和锂金属氧化物化学(见表1:初级锂化学比较)。
表1:主要锂化学比较
| Li-SOCl2 | Li-SOCl2 | 金属氧化物锂 | 金属氧化物锂 | 碱性 | 生活2 | LiMnO2 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 原代细胞 | 筒子式混合层电容器 | Bobbin-type | 为高容量而修改 | 修改为大功率 | 二硫酸锂铁 | CR123A | |
| 能量密度(Wh/1) | 1420年 | 1420年 | 370 | 185 | 600 | 650 | 650 |
| 权力 | 非常高的 | 低 | 非常高的 | 非常高的 | 低 | 低 | 温和的 |
| 电压 | 3.6 ~ 3.9 V | 3.6 V | 4.1 V | 4.1 V | 1.5 V | 1.5 V | 3.0 V |
| 脉冲幅度 | 优秀的 | 小 | 高 | 非常高的 | 低 | 温和的 | 温和的 |
| 钝化 | 没有一个 | 高 | 非常低的 | 没有一个 | N/A | 公平 | 温和的 |
| 高温性能 | 优秀的 | 公平 | 优秀的 | 优秀的 | 低 | 温和的 | 公平 |
| 低温性能 | 优秀的 | 公平 | 温和的 | 优秀的 | 低 | 温和的 | 可怜的 |
| 使用寿命 | 优秀的 | 优秀的 | 优秀的 | 优秀的 | 温和的 | 温和的 | 公平 |
| 自放电率 | 非常低的 | 非常低的 | 非常低的 | 非常低的 | 非常高的 | 温和的 | 高 |
| 操作温度 | -67至185°F;能短时间延长到221°F | -112到257华氏度 | -49到185华氏度 | -49到185华氏度 | 32到140°F | -4到140°F | 32到140°F |
来源:Tadiran电池
消费级生活2电池相对便宜，可以提供为相机闪光灯供电所需的高脉冲。这些电池有局限性，包括-4到140°F的狭窄温度范围，较高的年自放电率，以及可能泄漏的卷曲密封。
LiMnO2电池，包括流行的CR123A，为相机和玩具提供了一个节省空间的解决方案，作为一个3-V LiMnO2电池可替代两个1.5 v碱性电池。LiMnO2电池可以提供温和的脉冲，但初始电压低，温度范围窄，自放电率高，密封卷曲。
Li-SOCl2电池有两种制造方式:螺旋缠绕或线筒式结构(见图1)。其中线筒式锂- soc2电池更适合使用寿命较长的低平均日电流的应用，如油箱液位监测、资产跟踪和必须承受极端温度循环的环境传感器。
Bobbin-type Li-SOCl2电池具有最高的容量和最高的能量密度的任何锂电池，以及极低的年自放电率-低于1%每年，使某些电池运行长达40年的免维护。Bobbin-type Li-SOCl2电池还具有玻璃到金属的密封，并提供尽可能宽的温度范围(-112至257°F)。
一个典型的例子是医疗冷链，其中无线传感器被用于监控冷冻药物、组织样本和移植器官的运输，温度控制在零下112华氏度。某些筒子型li - soc2电池已被证明可以在-148°F的长时间测试条件下成功运行，这远远超过碱性电池和消费级锂电池的最大温度范围。
Bobbin-type Li-SOCl2电池也部署在几乎所有用于水和天然气公用事业行业AMI/AMR计量应用的仪表发射机单元(mtu)中。线筒式锂- soc的延长电池寿命2电池对AMI/AMR计量应用至关重要，因为大规模的系统范围电池故障可能会通过扰乱计费和客户服务操作而造成潜在的混乱。Bobbin-type Li-SOCl220世纪80年代中期安装在MTU单元上的电池在近30年后进行了测试，并显示有足够的剩余可用容量。
电池的工作寿命在很大程度上受到电池的年度能量使用以及其年度自放电率的影响。电池的工作寿命可以进一步延长，方法是在待机模式下运行设备，只吸收很少或没有电流，然后定期查询数据，只有在超过某些预设的数据阈值时才唤醒数据。如果适当地保存，每年电池自放电比实际使用电池损失更多的能量是很常见的。
当指定线轴类型Li-SOCl时2电池，请注意，实际的工作寿命可能会根据电池的制造方式和原材料的质量而显著不同。例如，最高质量的筒子型Li-SOCl2电池的自放电率每年可低至0.7%，因此40年后仍能保持近70%的原始容量。相比之下，质量较差的筒子型锂- soc2电池每年的自放电率高达3%，每10年就会损失近30%的可用容量。
虽然筒子型锂- soc2电池不是生来平等的，性能差异可能几年都不明显。因此，在为远程应用程序中的长期部署指定电池时，需要进行尽职调查。工程师必须超越理论数据，要求完整记录的长期测试结果以及现场的实际性能数据。
考虑到高脉冲需求
标准筒子型li - soc2电池的设计不是为了提供高脉冲，这可以通过结合标准的筒管型锂- soc来克服2电池与专利的混合层电容器(HLC)。标准的li - soc2Cell提供低背景电流，需要在睡眠模式下为设备供电。HLC的工作原理就像一个可充电电池，用于存储和传输启动数据查询和传输所需的高脉冲。
另外，超级电容器可以用来在静电场中存储高脉冲能量。虽然超级电容器广泛应用于消费产品，但由于其固有的局限性，通常不推荐用于工业应用，例如只能提供短时间电力，线性放电质量不允许使用所有可用能量，容量低，能量密度低，年自放电率高(每年高达60%)。串联的超级电容器还需要使用能吸收额外电流的电池平衡电路。
能源收集存在增长机会
越来越多的工业自动化应用正在与锂离子可充电电池一起部署能量收集设备。光伏电池是最常见的能量收集形式，设备振动和环境RF/EM能量被用于利基应用。
如果设备易于获取，最大使用寿命不超过5年，充电周期不超过500次，在适中的温度范围内(32°F至104°F)，并且没有高脉冲要求，则消费级可充电锂离子电池可用于存储收集的能量。
工业级能量收集应用通常需要更可靠的电源，例如工业级锂离子电池，可以工作长达20年，并进行5000次完整充电循环，温度范围从-40°F扩展到185°F。这些工业级电池还可以提供双向无线通信所需的高脉冲(aa尺寸电池的5 A)，并且更坚固地构造了密封密封，优于消费级充电电池上的卷曲密封，后者可能会泄漏(见表2:电池比较)。
表2:电池比较
| tli - 1550 (AA) | 锂离子 | ||
|---|---|---|---|
| 单位 | 工业品位 | 18650 | |
| 直径(最大) | 英寸 | 0.59 | 0.73 |
| 长度(最大) | 英寸 | ||
| 体积 | 英寸3. | 0.58 | 1.08 |
| 额定电压 | 伏 | 3．7 | 3．7 |
| 最大放电速率 | C-rate * | 15摄氏度 | 1.6摄氏度 |
| 最大连续放电电流 | 安培 | 5 | 5 |
| 能力 | mAh | 330 | 3000年 |
| 能量密度 | Wh /升 | 129 | 627 |
| 权力(RT) | W /升 | 1950年 | 1045年 |
| 权力(4°F) | W /升 | 大于630 | 少于170 |
| 工作温度 | 度F。 | -40到194°F | -4到140°F |
| 充电温度 | 度F。 | -40到185华氏度 | 32到113°F |
| 自放电率 | 百分比/年 | 小于5% | 少于20% |
| 循环率 | 100%的国防部 | 5000年 | 300 |
| 循环率 | 75%的国防部 | 6250年 | 400 |
| 循环率 | 50%的国防部 | 10000年 | 650 |
| 使用寿命 | 年 | 超过20个 | 小于5 |
*C-rate是衡量电池放电速率的指标。它被定义为放电电流除以理论电流，在此情况下电池将在一小时内提供其标称额定容量。
为5万个定日镜供电
工业级能源收集应用的一个主要例子是以色列的Ashilim发电站，这是一个未来的太阳能发电站，将利用太阳能提供121兆瓦的清洁可再生能源，足够为12万多户家庭提供电力，成为世界上第五大同类设施。
阿什利姆的设施将配备5万面被称为定日镜的镜子，这些镜子通过无线通信单独控制，以驱动和控制伺服电机，使每个镜子精确地旋转和倾斜，将能量集中到位于塔顶的锅炉上。集中的太阳能使塔内的水沸腾，产生高温蒸汽，为传统涡轮发动机提供动力，可产生高达121兆瓦的电力。
每个定日镜将配备一个小型太阳能收集装置，以及一个由6节aa尺寸的可充电锂离子电池组成的小型电池组。可充电的锂离子电池将为伺服电机提供动力，并为无线通信提供动力，以建立一个网状网络，传递同步所有5万面镜子运动所需的数据。使这个应用程序真正实现无线，消除了与安装和维护数英里长的电线和电缆相关的费用、复杂性和可靠性问题。
Ashilim项目考虑了三种可能的储能解决方案:工业级可充电锂离子电池、消费级锂离子电池和超级电容器。
工业级锂离子电池比消费级锂离子电池更受青睐，因为工业级锂离子电池减少了每五年更换5万块消费级电池的费用，从而降低了总拥有成本。此外，大规模电池故障的风险可能严重损害整个电网的可靠性，可能影响所有12万户家庭和企业。
考虑到沙漠的极端环境条件，选择工业级锂离子电池也是有意义的，因为这些电池具有更大的温度范围(-40至185°F)，而且结构更坚固。
超级电容器也被考虑过，但没有被选择用于Ashilim电力设施。虽然超级电容器在消费应用中很受欢迎，例如为移动电话、笔记本电脑和数码相机提供内存备份，但它有固有的缺点，使其不适合工业应用。这些缺点包括电力持续时间短，线性放电特性不允许使用所有可用能量，低容量，低能量密度，非常高的自放电(每年高达60%)，以及串联超级电容器需要电池平衡。相比之下，工业级可充电锂离子电池提供:
- 较高的实用能力:330毫安时(等效伪电容为1200华氏度)，相同体积的超级电容最大约为10华氏度。(3.6 V)。
- 较低的自放电:1至2 μ A的自放电电流，而具有相同外部体积的超级电容器的放电电流为20至50 μ A。
- 更高的循环次数:aa级工业锂离子电池可在2.8 V - 3.9 V(80%放电深度[DoD])之间充放电3.5万次。本研究期间的累计容量约为8,750 Ah。这个值相当于:8.750 x 3.6/10 F 9，相当于等效尺寸aa尺寸的10 F电容器的320万个完整循环。
- 细胞阻抗:在35,000次循环中，电池阻抗仅从初始值40 mOhm增加到35,000次循环后的50 mOhm，增加了25%。
- 低温性能:工业锂离子电池表现出优异的低温性能，在长时间或大电流脉冲下，电池电压明显高于超级电容器
- 更小的足迹:超级电容器比工业级锂离子电池要笨重得多(见图2)。
为市政停车计时器供电
在另一个工业物联网应用中，工业级锂离子电池被用于太阳能停车计时器，从而节省了数百万美元，因为不需要在许多英里的城市人行道上安装硬电线(见图3)。
这些无线联网的太阳能停车计时器提供了最先进的功能，包括多种支付系统选项、访问实时数据、与车辆检测传感器集成、用户引导和执行模块，所有这些都与一个综合的基于web的管理系统相连。
小型光伏电池板收集太阳能，工业级可充电锂离子电池用于存储能量，并提供先进的双向无线通信所需的高脉冲，从而确保长达20年的24/7/365系统可靠性。
展望未来
这些案例研究让我们得以一窥工业自动化和工业物联网的未来，工业物联网将越来越多地由真正无线的电子设备驱动，工业级锂电池为技术融合和互操作性提供长期支持。无线设备现在能够运行数十年无需维护，电池寿命延长转化为更高的投资回报率(ROI)，通过减少长期维护费用，并通过更少的电池更换促进环境的可持续性。(onlinebyline)
索尔·雅各布斯的副总裁兼总经理Tadiran电池．
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