Specificarea unei baterii supradimensionate pentru a obține o performanță robustă a produsului este depășită

De SOL JACOBS,
VP și Director General, Baterii Tadiran
www.tadiranbat.com

Soluțiile de proiectare compromise care implică baterii mari și inutile inutile duc adesea la înlocuirea frecventă a bateriilor, precum și cheltuieli neprevăzute asociate transportului bateriilor grele la locații la distanță, greu accesibile. Aceste neajunsuri devin din ce în ce mai mari în epoca miniaturizării.

Specificați ecuațiile de viață/dimensiune/cost

Pentru a specifica sursa de alimentare ideală pentru un dispozitiv fără fir alimentat de la baterie, trebuie luați în considerare diverși parametri de performanță, inclusiv:

Temperaturi reci și calde - Temperaturile extreme pot reduce tensiunea bateriei sub impuls. Dacă bateria are un domeniu limitat de temperatură și este desfășurată într-un mediu dur, atunci poate fi necesară o baterie supradimensionată pentru a compensa căderea de tensiune așteptată sub sarcină pulsată. O soluție alternativă poate fi alegerea unei baterii cu clorură de litiu tionion (LiSOCl2) de tip bobină, care are o densitate energetică foarte mare și a fost modificată pentru a furniza impulsuri ridicate la temperaturi extreme, eliminând astfel nevoia de capacitate sau tensiune suplimentară.

Tensiunea de funcționare - Matematica simplă indică faptul că este nevoie de mai mult de două ori mai multe celule de 1,5 V pentru a furniza aceeași tensiune ca celulele de 3,6 V. Mai puține celule se traduc în mai puțin dimensiune, greutate și cost.

Puterea vs. energie - Această provocare de proiectare variază în funcție de aplicație. De exemplu, anumite dispozitive fără fir sunt alimentate rar, necesitând impulsuri mari pentru rafale scurte fără a epuiza multă energie (capacitate). Unele aplicații tipice cu impulsuri mari/consum redus de energie includ instrumente chirurgicale electrice care funcționează câteva minute și muniție ghidată care rămâne în aer câteva secunde. Un burghiu electric, de exemplu, poate folosi patru baterii cu oxid de litiu de dimensiuni AA pentru a înlocui 12 celule alcaline. Într-o aplicație cu rachete ghidate, un pachet mic de baterii cu oxid de litiu metalic poate depăși un pachet de baterii personalizat mult mai mare și mai costisitor format din baterii argint-zinc.

Majoritatea tehnologiilor bateriei nu au fost niciodată concepute pentru a produce un raport mare putere-pe-energie, necesitând astfel un număr mare de celule pentru a compensa designul lor cu impulsuri reduse, rezultând o capacitate excesivă a bateriei.

Auto-descărcare - Anumite tehnologii ale bateriilor sunt predispuse la rate mari de auto-descărcare, pierzând până la 8% din capacitatea lor totală pe lună, necesitând astfel o baterie supradimensionată pentru a compensa pierderile de energie așteptate. Înlocuirea unei baterii cu o rată de auto-descărcare anuală mult mai mică va permite alimentarea cu energie să fie mai mică și ar putea elimina, de asemenea, necesitatea înlocuirii multiple a bateriei pe durata de viață a dispozitivului. Anumite baterii LiSOCl2 de tip bobină au o rată de auto-descărcare extraordinar de mică de 0,7% pe an, permițându-le astfel să își păstreze peste 70% din capacitatea lor inițială după 40 de ani. Spre deosebire de aceasta, o baterie cu o rată de auto-descărcare de 3% pe an (care poate părea, la început, să fie doar incremental) va epuiza 30% din capacitatea sa inițială după doar 10 ani.

Ciclează viața - Cele mai multe celule litiu-ion (Li-ion) reîncărcabile de consum au un ciclu de viață limitat de aproximativ cinci ani și 500 de reîncărcări complete. Dacă dispozitivul trebuie să funcționeze peste 500 de cicluri de reîncărcare fără înlocuirea bateriei, atunci sunt necesare celule suplimentare pentru a reduce adâncimea medie de descărcare pe celulă.

Pentru a aborda această provocare, a fost dezvoltată recent o baterie Li-ion reîncărcabilă de nivel industrial care poate prelungi ciclul de viață al bateriei până la 20 de ani și 5.000 de cicluri de reîncărcare. Această celulă Li-ion reîncărcabilă de calitate industrială este, de asemenea, capabilă să furnizeze impulsuri ridicate și are un domeniu extins de temperatură de la -40 ° C la + 85 ° C.

Cerințe de impulsuri ridicate - Dispozitivele wireless de la distanță necesită din ce în ce mai multe impulsuri ridicate pentru a alimenta comunicațiile avansate bidirecționale și capacitățile de oprire de la distanță. Bateriile alcaline sunt excelente pentru a furniza impulsuri ridicate datorită designului de mare viteză. Cu toate acestea, aceste baterii destinate consumatorilor au, de asemenea, limitări serioase, inclusiv tensiune scăzută (1,5 V), o gamă limitată de temperatură (0 ° C până la + 60 ° C) și o rată ridicată de auto-descărcare care poate reduce speranța de viață la cât de scurtă ca unu la doi ani, și sigilii sertizate care pot scurge. Este posibil, de asemenea, să fie necesară înlocuirea bateriilor alcaline la fiecare câteva luni, ceea ce crește costul total al proprietății, în special pentru dispozitivele wireless care sunt implementate în locații la distanță, inaccesibile.

Bateriile standard LiSOCl2 de tip bobină nu sunt proiectate pentru a gestiona impulsuri ridicate, deoarece pot prezenta o scădere temporară a tensiunii atunci când sunt supuse pentru prima dată acestui tip de încărcare pulsată: un fenomen cunoscut sub numele de tensiune minimă tranzitorie (TMV). Cu toate acestea, o celulă LiSOCl2 de tip bobină standard poate fi modificată în mod rentabil pentru a furniza impulsuri ridicate prin utilizarea unui condensator de strat hibrid brevetat (HLC).

Bateria și HLC funcționează în paralel, bateria furnizând o putere de curent redus pe termen lung în intervalul nominal de 3,6 - 3,9 V, în timp ce unitatea HLC stochează și livrează impulsuri mari. Această baterie hibridă are, de asemenea, o curbă unică de performanță la sfârșitul ciclului de viață, care permite programarea dispozitivelor pentru a furniza alerte de stare „baterie scăzută”.

O altă modalitate de a minimiza TMV este de a utiliza supercondensatori în tandem cu baterii cu litiu. Cu toate acestea, supercondensatoarele au dezavantaje majore, inclusiv volumul mare, rate ridicate de auto-descărcare (până la 60% pe an) și un interval de temperatură limitat. Soluțiile care implică utilizarea mai multor condensatori necesită, de asemenea, circuite de echilibrare, care atrag curent suplimentar și se adaugă la cost.

Costul inițial scăzut poate fi foarte înșelător - Costul total al proprietății unei baterii nu este întotdeauna reflectat cu exactitate în costul inițial al acesteia. Dacă dispozitivul este destinat unei desfășurări pe termen lung, atunci cheltuielile suplimentare de muncă și transport asociate cu înlocuirea mai frecventă a bateriei s-ar putea aduna, costând mult mai mult decât bateria în sine.

bateriei

FIG. 1: GPS/geamandură de gheață a Oceantronic - care măsoară vântul, temperatura soarelui și grosimea gheții - fiind recuperată de un elicopter în apropierea Polului Nord. Acumulatorul original (stânga) era format din 380 de celule D alcaline și cântărea 54 kg. Pachetul de baterii reproiectat (dreapta) folosește 32 de celule LiSOCl2 de dimensiune D și patru condensatoare hibride stratificate pentru a reduce dimensiunea și greutatea la 3,2 kg oferind în același timp aceeași durată de funcționare. (Imagine dreaptă, prin amabilitatea lui Sigrid Salo, NOAA/PMEL)

Soluțiile de compromis care implică dimensiuni și greutate adăugate pot fi, de asemenea, extrem de problematice în aplicații dificil de accesat și în medii extreme. De exemplu, o sursă de alimentare compactă și ușoară este ideală pentru oamenii de știință care lucrează în condiții frigide arctice (vezi Fig. 1) care au cantități limitate de greutate și volum pe care le pot îndeplini în misiuni. Bateriile mai ușoare și mai puțin voluminoase sunt, de asemenea, benefice pentru liniștii care își petrec toată ziua transportând echipamente în sus și în jos pe stâlpii de utilitate. De asemenea, ca urmare a reglementărilor mai restrictive de transport ONU și IATA, devine din ce în ce mai scump transportul bateriilor cu litiu.