Узлы датчиков используют некоторый тип суперконденсатора и / или аккумулятор
Юсуке Танака, инженер-технолог, & YOSHIYUKI TABATA, старший инженер по продукции
Murata Manufacturing
www.murata.com
В последние годы большое внимание уделяется сенсорным сетям, предназначенным для мониторинга и управления объектами или оборудованием, или окружающими средами или пространствами. В сенсорной сети будет несколько узлов датчиков, источник питания и функции связи. Сбор информации с узла осуществляется через проводные или беспроводные соединения. Сеть датчиков часто является правильной технологией для соединений между машинами (M2M), системами управления домашним энергопотреблением (HEMS), системами управления энергопотреблением (BEMS), промышленным мониторингом и контролем и, конечно же, Интернетом вещей (IoT).
Беспроводные узлы датчиков: конфигурации и проблемы
У беспроводного сенсорного узла должно быть устройство хранения энергии, датчик, микросхема беспроводной связи, антенна и микроконтроллер, и после ее установки необходимо продолжить работу независимо от установки, пока батарея не разрядится.
Рисунок 1: На диаграмме показана примерная конфигурация узла беспроводного датчика.
Типичные устройства хранения энергии включают электрические двухслойные конденсаторы и первичные или вторичные батареи. Первичные батареи не являются перезаряжаемыми и поставляются в марганцевых, щелочных марганцах, оксидах серебра и литиях. Вторичные перезаряжаемые батареи включают свинец, никель-кадмий, никель-гидрид и литий-ион. Батареи хранят энергию электрохимически, в которой химические реакции высвобождают электрический носитель. Также можно использовать конденсатор большой емкости, такой как электрический двухслойный конденсатор или суперконденсатор, и его можно заряжать повторно.
Если в качестве устройств хранения энергии используются первичные батареи, можно построить систему с относительно низкой стоимостью, но необходимо периодически заменять батареи, и это предполагает прогнозирование количества потребляемой батареи. Если узел датчика чрезвычайно мал, он может прослужить 20 лет и не будет проблемой. Однако, особенно в сенсорной сети с большим масштабом и большим количеством настроенных беспроводных сенсорных узлов, это не так часто, и обслуживание замены батареи становится большой проблемой. В частности, беспроводной узел не будет использовать основную ячейку, потому что требуемая мощность передачи довольно высока, и узел будет иметь очень короткий срок службы без огромной первичной батареи.
Решения для энергоснабжения
В последние годы предпринимались попытки развить сбор энергии с помощью перезаряжаемого устройства хранения. Используются устройства для производства электроэнергии, которые используют природную энергию, например, солнечный свет, вибрацию и тепло. Но, конечно, устройства, способные встраиваться в небольшие устройства, могут обеспечить лишь небольшую мощность. Используемое устройство для хранения энергии должно быть полностью заряжено даже источником низкой мощности и удерживать энергию в течение длительного времени без утечки. Кроме того, производительность устройства хранения данных должна поддерживаться даже после того, как она заряжается и разряжается много раз. Вторичные батареи и электрические двухслойные конденсаторы разных типов имеют преимущества и недостатки, и в настоящее время лишь небольшое количество этих устройств может удовлетворять всем условиям, подходящим для сбора энергии.
Применение к беспроводным сенсорным узлам
Суперконденсатор предлагает некоторые большие преимущества. Он использует физические явления разделения заряда между зарядами на электродах и ионах в электролите на границе раздела. Они могут выделять энергию намного быстрее, чем батарея, и могут быть задействованы сотни тысяч раз без существенного влияния на производительность. Между тем, плотность энергии суперконденсатора намного меньше, чем плотность литиево-ионной батареи - как минимум в 20 раз меньше. Есть много суперконденсаторов / электронных двухслойных конденсаторов - производители включают Murata, Taiyo Yuden, Иллинойс-Конденсатор, Vishay, Компоненты NIC, Maxwell Technologies, KEMET, Cornell Dubilier, Nichicon, Eaton, AVX, Panasonic и Elna.
В варианте на суперконденсаторе и аккумуляторной батарее Murata Electronics создает небольшое энергетическое устройство под названием UMAC (UMAC040130A003TA01). Это литиево-ионная вторичная батарея, в которой используется титанат лития в качестве катодного материала, в отличие от обычных литий-ионных батарей. Его конструкция обеспечивает высокую или низкую скорость зарядки и разрядки, длительный срок службы и повышенный уровень безопасности.
Рисунок 2: Основные спецификации UMAC.
На рисунке 2 показаны спецификации продукта UMAC. Он поставляется в одном размере с емкостью 3 мАч, номинальным напряжением 2, 3 В и максимальным током непрерывной разрядки 30 мА (10 ° С). UMAC имеет плотность мощности в 10 раз и имеет ту же плотность энергии, что и литий-ионная батарея общего назначения. Он подходит для компактных приложений, требующих питания до 30 мА. Также, как правило, при зарядке литий-ионной батареи необходимо контролировать зарядный ток по соображениям безопасности, и для зарядки требуется больше времени. UMAC не требует тщательного контроля тока во время зарядки, может заряжаться с постоянным током и подходит для приложений, требующих быстрой зарядки. У UMAC имеет несколько высокий ESR 0, 8 Ом по сравнению с некоторыми суперконденсаторами, что ограничивает его скорость разряда или плотность мощности. Это может быть скорее преимуществом, чем недостатком во многих случаях.
Требования к хранилищу энергии беспроводных датчиков
Устройства хранения энергии для беспроводных сенсорных узлов требуют четырех свойств. Первое свойство - это длительный цикл жизни, чтобы исключить необходимость регулярного обслуживания. На рисунке 3 показаны скорости удержания пропускной способности для циклов заряда / разряда для устройства UMAC. Если количество разряда в течение одного цикла составляет 50%, то 90% или более емкости сохраняются после 5000 циклов зарядки / разрядки. Если количество разряда меньше этого, продолжительность жизни цикла еще больше возрастает. Если разгрузка выполняется один раз в день, 5000 циклов эквивалентны примерно 13 годам, и поэтому UMAC должен быть в состоянии внести вклад в разработку узлов технического обслуживания, не требующих обслуживания.
Рисунок 3: Скорости мощности UMAC после многих циклов заряда / разряда.
Второе свойство - возможность заряжать даже из слабых источников тока и долго удерживать энергию. Устройства для сбора энергии часто обеспечивают низкий ток при относительно высоком импедансе. Требуется долгое сохранение избыточной энергии в течение длительного времени без ее утечки. На фиг.3 показаны скорости удерживания емкости заряда. Устройство UMAC сохраняет 88% емкости после того, как осталось нетронутым в течение 90 дней с момента полной зарядки, а его ток утечки составляет приблизительно 0, 17 мкА. Он может быть полностью заряжен даже при очень низком токе 5 мкА.
Рисунок 4: Долгосрочное сохранение емкости UMAC и зарядные свойства 5 мкА.
Третье свойство, которое может потребоваться, - это довольно высокая скорость разряда. Если устройство аккумулирования энергии может заряжаться адекватно, но не может соответствовать пиковой нагрузке системы, потребуются пиковые вспомогательные устройства, такие как конденсаторы, что усложняет работу системы. UMAC может разряжаться до 30 мА (10 ° C), и поэтому он может использоваться как источник питания для ближней связи, такой как Bluetooth Low Energy (BLE) и ZigBee, чтобы напрямую управлять нагрузкой. Устройство также эффективно при низких температурах, в отличие от литий-ионных батарей, и, таким образом, может использоваться на открытом воздухе в холодном климате. UMAC может работать с быстрыми импульсными разрядами даже при низких температурах.
Четвертое требуемое свойство - возможность использования сразу после начала зарядки. В конденсаторе величина заряда сохраняется пропорционально напряжению между обеими концами конденсатора, и, следовательно, между началом зарядки и началом работы системы происходит временное отставание. Напротив, UMAC позволяет системе сразу же работать, потому что это литий-ионный аккумулятор и достигнет своего номинального напряжения 2, 3 В при заряде всего лишь на несколько процентов.