Указание батареи большого размера для достижения надежной производительности продукта устарело
По SOL JACOBS, VP и генеральный директор, Tadiran Batteries
www.tadiranbat.com
Компромиссные дизайнерские решения, включающие излишне большие и тяжелые батареи, часто приводят к частым заменам батареи, а также часто непредвиденным расходам, связанным с транспортировкой тяжелых батарей в удаленные, труднодоступные места. Эти недостатки становятся все более возрастающими в эпоху миниатюризации.
Указать уравнения жизни / размера / стоимости
Чтобы указать идеальный источник питания для удаленного беспроводного устройства с батарейным питанием, необходимо учитывать различные параметры производительности, в том числе:
Холодные и горячие температуры - экстремальные температуры могут снизить напряжение батареи под импульсом. Если аккумулятор имеет ограниченный температурный диапазон и развернут в суровых условиях, то для компенсации ожидаемого падения напряжения при импульсной нагрузке может потребоваться большая батарея. Альтернативным решением может быть выбор батареи типа тионилхлорида литий-ионного типа (LiSOCl 2), которая обладает очень высокой плотностью энергии и была модифицирована для обеспечения высоких импульсов при экстремальных температурах, что устраняет необходимость в такой дополнительной емкости или напряжении.
Рабочее напряжение. Простая математика указывает на то, что для получения такого же напряжения, как и ячейки 3, 6 В, требуется более чем вдвое больше 1, 5-вольтовых ячеек. Меньше клеток переводят на меньший размер, вес и стоимость.
Сила против энергии - эта задача дизайна зависит от приложения. Например, некоторые беспроводные устройства редко питаются энергией, требуя высоких импульсов для коротких всплесков, не вызывая большой энергии (мощности). Некоторые типичные приложения с высоким импульсом / низкой энергией включают хирургические силовые инструменты, которые работают в течение нескольких минут и управляемые боеприпасы, которые остаются в воздухе в течение нескольких секунд. Например, хирургическая силовая дрель может использовать четыре батареи из оксида лития на основе AA размера, чтобы заменить 12 щелочных элементов. В приложении с управляемой ракетой небольшая упаковка из литиевых металлических оксидных батарей может превосходить намного более крупный и дорогой пользовательский аккумулятор, состоящий из серебристо-цинковых батарей.
Большинство технологий аккумуляторов никогда не предназначались для получения отношения высокой мощности к энергии, что требует большого количества ячеек для компенсации их низкоимпульсной конструкции, что приводит к избыточной емкости аккумулятора.
Саморазряд. Некоторые технологии аккумуляторных батарей подвержены высоким частотам саморазряда, теряя до 8% от их общей емкости в месяц, поэтому для компенсации ожидаемых потерь энергии требуется батарея с избыточным весом. Подставляя батарею с гораздо более низкой годовой скоростью саморазряда, можно уменьшить напряжение питания, а также избавиться от необходимости замены нескольких батарей в течение всего срока службы устройства. Некоторые батареи типа LiSOCl 2 с катушкой имеют чрезвычайно низкую скорость саморазряда 0, 7% в год, что позволяет им сохранять более 70% от их первоначальной мощности через 40 лет. Напротив, батарея со скоростью саморазряда 3% в год (которая может показаться, поначалу, только повышающейся) будет исчерпать 30% от ее первоначальной мощности через 10 лет.
Жизненный цикл. Большинство литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторов потребительского класса имеют ограниченный срок службы около пяти лет и 500 полной перезарядки. Если устройству необходимо работать более 500 циклов подзарядки без замены батареи, тогда необходимы дополнительные ячейки, чтобы уменьшить среднюю глубину разряда на ячейку.
Для решения этой проблемы недавно был разработан литий-ионный аккумулятор промышленного класса, который может продлить срок службы батареи до 20 лет и 5000 циклов перезарядки. Эта литий-ионная ячейка промышленного класса также способна подавать высокие импульсы и имеет расширенный температурный диапазон от -40 ° C до + 85 ° C.
Высокие требования к импульсам. Удаленным беспроводным устройствам все чаще требуются высокие импульсы для обеспечения расширенной двухсторонней связи и возможности удаленного отключения. Щелочные батареи отлично подходят для подачи высоких импульсов из-за их высокой скорости. Однако эти потребительские батареи также имеют серьезные ограничения, включая низкое напряжение (1, 5 В), ограниченный диапазон температур (от 0 ° C до + 60 ° C), высокую скорость саморазряда, которая может сократить продолжительность жизни до такой же короткой, как от одного до двух лет, и обжимные уплотнения, которые могут протекать. Щелочные батареи также могут быть заменены каждые несколько месяцев, что повышает общую стоимость владения, особенно для беспроводных устройств, которые развертываются в удаленных, недоступных местах.
Стандартные батареи типа LiSOCl 2 типа катушки не предназначены для работы с высокими импульсами, так как они могут испытывать временное падение напряжения при первом воздействии импульсной нагрузки такого типа: явление, известное как переходное минимальное напряжение (TMV). Однако стандартная ячейка LiSOCl 2 типа катушки может быть экономически модифицирована для обеспечения высоких импульсов за счет использования запатентованного гибридного конденсатора уровня (HLC).
Аккумуляторная батарея и HLC работают параллельно, при этом аккумулятор подает долгосрочную маломощную мощность в номинальном диапазоне от 3, 6 до 3, 9 В, в то время как одноблочный HLC хранит и подает высокие импульсы. Эта гибридная батарея также имеет уникальную кривую производительности с конечным сроком службы, которая позволяет запрограммировать устройства для доставки предупреждений о состоянии «разряженной батареи».
Другим способом минимизации TMV является использование суперконденсаторов в тандеме с литиевыми батареями. Однако у суперконденсаторов есть серьезные недостатки, в том числе громоздкость, высокая скорость саморазряда (до 60% в год) и ограниченный диапазон температур. Решения, связанные с использованием нескольких суперконденсаторов, также требуют балансировочных схем, которые наделяют дополнительный ток и добавляют к стоимости.
Низкая начальная стоимость может быть очень обманчивой. Общая стоимость владения батареей не всегда точно отражается в ее первоначальной стоимости. Если устройство предназначено для долгосрочного развертывания, тогда дополнительные затраты на рабочую силу и транспортные расходы, связанные с более частыми заменами батареи, могут складываться, что намного больше, чем сама батарея.
Рисунок 1: GPS / ледовый буй Oceantronic, который измеряет ветер, температурный солнечный свет и толщину льда, извлекается вертолетом около Северного полюса. Оригинальный аккумуляторный блок (слева) состоял из 380 щелочных D-ячеек и весил 54 кг. Переработанный аккумуляторный блок (справа) использует 32 ячейки Li-образного размера LiSOCl 2 и четыре гибридных слоистых конденсатора для уменьшения размера и веса до 3, 2 кг при одновременном обеспечении того же срока службы. (Правильное изображение любезно предоставлено Sigrid Salo, NOAA / PMEL)
Компромиссные решения с добавленным размером и весом также могут быть очень проблематичными в труднодоступных приложениях и экстремальных средах. Например, компактный, легкий источник питания идеально подходит для ученых, работающих в условиях холодного арктического климата (см. Рис.1), которые имеют ограниченное количество веса и объема, которые могут выполнять миссии. Более легкие и менее громоздкие батареи также полезны для проводников, которые проводят весь день, перевозя оборудование вверх и вниз по полюсам. Кроме того, в результате более ограничительных правил доставки ООН и ИАТА, становится все дороже транспортировать литиевые батареи.
SOL JACOBS, вице-президент и генеральный директор Tadiran Batteries, www.tadiranbat.com