INNOVATION TECHNOLOGIE

Batteries conçues pour courir un marathon IIoT

Les appareils sans fil à distance sont de plus en plus essentiels pour pratiquement toutes les applications connectées à l’IIoT, y compris le suivi des actifs, le contrôle de supervision et l’acquisition de données, la surveillance de l’environnement, l’IA, le M2M et l’apprentissage automatique, pourn’en nommer que quelques-uns. Les appareils alimentés par batterie éliminent le besoin de câblage coûteux dans les environnements difficiles et les endroits inaccessibles. Les batteries au lithium de qualité industrielle sont préférables aux batteries de consommation de courte durée, car une durée de vie prolongée des batteries peut apporter une plus grande fiabilité, une plus grande longévité, une meilleure satisfaction du client et un coût de possession inférieur.

Appareils sans fil basse consommation conçus pour les marathons

Les appareils à faible puissance peuvent parcourir de longues distances en économisant soigneusement l’énergie. Deux types d’appareils sans fil de faible puissance sont disponibles: ceux qui consomment un courant moyen en microampères, généralement alimentés par une batterie au lithium primaire (non-rechargeable ) de qualité industrielle; et ceux qui consomment un courant moyen en milliampères, assez pour épuiser prématurément une batterie principale. Étant donné que ces applications impliquent une plus grande consommation d’énergie, elles peuvent nécessiter l’utilisation d’un dispositif de récupération d’énergie en tandem avec une batterie lithium ion (Li-ion) rechargeable de qualité industrielle.

La spécification d’une batterie à très longue durée de vie implique de nombreux paramètres, notamment: la quantité de courant consommée en mode actif (y compris la taille, la durée et la fréquence des impulsions); la quantité d’énergie consommée en mode veille (le courant de base); temps de stockage (car l’auto-décharge normale pendant le stockage diminue la capacité); environnements thermiques (y compris stockage et fonctionnement sur le terrain); et la tension de coupure {de|p} l’équipement, qui diminue lorsque la capacité de la cellule est épuisée ou lors d’une exposition prolongée à des températures extrêmes. Le plus important est l’autodécharge annuelle de la cellule, qui dépasse souvent la quantité de courant nécessaire pour faire fonctionner l’appareil.

Les appareils sans fil à distance sont principalement alimentés par des chimies primaires (non rechargeables), y compris le disulfate de fer (LiFeS2), le dioxyde de lithium et de manganèse (LiMnO2), le chlorure de thionyle de lithium (LiSOCl2), l’alcaline et l’oxyde de lithium métallique (tableau 1).

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Le lithium se distingue comme le métal non gazeux le plus léger, avec un potentiel négatif intrinsèque élevé qui dépasse tous les autres, ce qui se traduit par l’énergie spécifique (énergie par unité de poids) et la densité d’énergie (énergie par unité de volume) les plus élevées de toutes les chimies disponibles dans le commerce. Les piles au lithium ion fonctionnent dans une plage de tension de courant de fonctionnement normale de 2,7 à 3,6 V. Ces chimies sont également non aqueuses, alors que les chimies à base d’eau peuvent geler à des températures extrêmement glaciales.

La chimie du chlorure de lithium thionyle (LiSOCl2), qui offre la durée de vie la plus longue, est construite de deux manières: de type bobine ou spirale. Les cellules enroulées en spirale sont spécifiées pour les applications qui nécessitent un flux d’énergie plus élevé. Les cellules de type bobine sont mieux adaptées aux applications de faible puissance en raison de leur capacité et de leur densité d’énergie plus élevées, ainsi que d’une plage de température plus large (–80 ° C à 125 ° C). Une caractéristique clé de la chimie LiSOCl2 de type bobine est son taux d’autodécharge annuel exceptionnellement bas (moins de 1% par an pour certaines cellules), permettant une autonomie de batterie allant jusqu’à 40 ans.

L’autodécharge réduit la durée de vie de la batterie

L’autodécharge de la batterie est commune à toutes les chimies, car les réactions chimiques consomment naturellement de l’énergie même lorsqu’une cellule est inactive. Heureusement, vous pouvez modifier le taux d’auto-décharge d’une batterie LiSOCl2 de type bobine en contrôlant l’effet de passivation.

La passivation se produit uniquement avec les batteries LiSOCl2, causée par un film mince de chlorure de lithium (LiCl) qui se forme à la surface de l’anode au lithium, séparant l’anode de l’électrode pour limiter les réactions chimiques qui provoquent une auto-décharge. Lorsqu’une charge est placée sur la cellule, la couche de passivation provoque une résistance initiale élevée avec une chute temporaire {de tension|de-tension} jusqu’à ce que la réaction de décharge dissipe lentement la couche de LiCl: un processus qui se répète à chaque fois que la charge est supprimée.

Plusieurs autres facteurs peuvent influencer la passivation de la cellule, y compris la capacité de décharge actuelle, la durée de stockage et la température de stockage, la température de décharge et la décharge préalable, car la décharge partielle d’une cellule puis la suppression de la charge peuvent augmenter la quantité de passivation par rapport au Nouveau.

Le bon côté de la passivation est sa capacité à minimiser l’autodécharge de la batterie. Le mauvais côté est que trop de celui-ci peut restreindre le flux d’énergie.

L’autodécharge est également affectée par le potentiel de décharge actuel de la cellule, la méthode de fabrication et la qualité des matières premières. La cellule LiSOCl2 de type bobine de la plus haute qualité peut présenter un taux d’auto-décharge aussi bas que 0,7% par an, conservant 70% de sa capacité d’origine après 40 ans. À l’inverse, une cellule LiSOCl2 de type bobine de qualité inférieure peut connaître un taux d’autodécharge allant jusqu’à 3% par an, perdant 30% de sa capacité initiale tous les 10 ans, rendant impossible une autonomie de 40 ans.

Sachez que l’autodécharge de la batterie peut prendre des années pour devenir pleinement apparente et que les données de test théoriques ont tendance à ne pas être fiables. Pour ces raisons, une diligence raisonnable approfondie est requise, en particulier si la batterie doit fonctionner pendant toute la durée de vie de l’appareil.

La connectivité sans fil bidirectionnelle exige des impulsions élevées

communications sans fil bidirectionnelles. Pour économiser l’énergie, ces dispositifs intègrent généralement un protocole de communication à faible consommation (par exemple, WirelessHART, ZigBee ou LoRa), ainsi qu’un chipset de faible puissance et des techniques propriétaires d’économie d’énergie.

Les cellules LiSOCl2 de type bobine standard ne peuvent pas fournir les impulsions élevées requises pour les communications bidirectionnelles: un défi qui peut être facilement surmonté avec l’ajout d’un condensateur à couche hybride (HLC) breveté. La cellule LiSOCl2 de type bobine délivre un courant de fond minimal en mode”veille”, tandis que le HLC fonctionne comme une batterie rechargeable pour générer des impulsions élevées jusqu’à 15A. En prime, le HLC dispose également d’un plateau de tension de fin de vie qui peut être interprété pour communiquer des alertes d’état de”batterie faible”.

L’analogie du coureur: gagner un marathon


La distance équivaut à la durée de vie de la batterie / de l’appareil. Plus un coureur peut voyager loin, plus un appareil pourra fonctionner pendant de longues années.

L’inclinaison équivaut au taux d’auto-décharge de la batterie. Plus le taux d’auto-décharge est élevé, plus l’inclinaison est grande, ce qui consomme plus d’énergie et raccourcit la durée de la course. De même, une autodécharge plus élevée de la batterie consomme plus d’énergie pour raccourcir la durée de vie de la cellule.

Les haies sont équivalentes aux légumineuses. Plus l’obstacle ou l’obstacle est élevé, plus l’impulsion requise pour prendre en charge les communications sans fil bidirectionnelles et d’autres fonctionnalités avancées est élevée.

Les supercondensateurs remplissent la même fonction dans l’électronique grand public mais ne sont généralement pas adaptés aux applications industrielles en raison de limitations inhérentes, y compris la puissance de courte durée, les qualités de décharge linéaire qui ne permettent pas une décharge complète de l’énergie disponible, une faible capacité, une faible densité d’énergie et une très taux d’auto-décharge élevé allant jusqu’à 60 pour cent par {an|}. Les supercondensateurs reliés en série nécessitent des circuits d’équilibrage de cellules qui sont encombrants, coûteux et qui consomment de l’énergie supplémentaire pour raccourcir encore leur durée de vie.
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