为恶劣环境下的远程无线应用提供动力

更多的自供电远程无线设备被用于极端环境。以下是一些较新的电池设备，它们将帮助您在这种环境中处理这些设备的电力需求。

Tadiran蓄电池副总裁兼总经理Sol Jacobs

我们生活在一个越来越无线的世界，自供电的远程传感器和通信设备对几乎所有类型的工业应用都变得必不可少，例如资产跟踪、系统控制和数据自动化，以及机器对机器(M2M)等。随着工业物联网(IIoT)将无线设备带入曾经难以想象的环境，这一趋势无疑将加速。

对于电池供电的设备，极端环境的影响会损害数据的完整性和可靠性，显著增加总拥有成本，并使试图安装和维护这些设备的工作人员面临更大的风险。

确保收益大于成本

快速增长的自供电无线设备市场主要是由经济驱动的，因为无线设备可以消除与安装硬连线设备相关的劳动力、物流和监管费用。安装一个电气开关这样简单的东西，每英尺的成本可能高达100美元或更多:在偏远、环境敏感的地区，这一费用还会增加。

在不影响性能或系统功能的情况下，设计一个尽可能小的无线设备始终是一个挑战。智能电源管理方法需要高效和低成本地使用电池电源，特别是在极端环境中。

从小处着手

一种常见的做法是指定电池过大或提供不需要的容量，以达到所需的电池工作寿命。但选择超大电池会带来隐性成本，包括将电池运输到偏远、难以到达的地方的费用，那里的人工和物流费用可能很高。联合国和国际航空运输协会日益严格的航运规定可能进一步增加这些运输成本。

一个小巧，轻便，长寿命的电源可以提供切实的好处。例如，科学家们正在进行实验，以监测北冰洋冰流的大小和位置的变化，他们希望设备尽可能小而轻，以便由直升机部署。相反，在电线杆上下携带线路故障传感器的电线工人寻求一种紧凑、轻便的解决方案，以减少疲劳。

当然，为了实现产品小型化的目标而指定一个尺寸过小的电池可能会导致在设备的整个使用寿命中过度更换电池。

极端温度会影响电池性能

许多主要的电池化学成分是可用的，每个提供独特的性能特征，包括不同的温度范围。这些化学物质包括碱性、二硫化铁(life₂)、二氧化锰锂(LiMNO₂)和亚硫酰氯锂(LiSOCl .₂)电池(见表1)。

暴露在极端温度下会降低电池寿命和脉冲电压，特别是如果电池已经有一个有限的温度范围。在这种情况下，可能需要一个超大的电池来补偿脉冲负载下的预期电压降。

一种解决方案是指定线筒式亚硫酰氯锂(LiSOCl₂这种电池具有高容量、高能量密度，并能在极端温度下提供高脉冲，从而无需额外的容量或电压。Bobbin-type LiSOCl₂细胞还可以针对与医疗冷链相关的极端温度进行修改，其中冷冻组织样本、移植器官、药物和药品必须持续监测并保持在-80°C。Bobbin-type LiSOCl₂电池还可以处理极端高温，包括用于医疗资产跟踪RFID设备，该设备可以承受高达125°C的高压灭菌温度，而无需拆卸电池。

由于1.5 V电池的数量是单个3.6 V电池的两倍多，因此使用更少数量的高电压电池可以有效地减小尺寸、重量和成本。

极端温度也会对电池的年自放电率产生负面影响，这对于已经容易产生高年自放电的电池化学物质来说是一个严重的问题。例如，某些条件可以导致碱性电池在不到一年的时间内完全自放电，因此需要一个超大的电源来补偿这种能量损失。相比之下，工业级的LiSOCl₂具有较低的年自放电率的电池可以允许更小的电力供应，同时也消除了未来更换电池的需要。

每年的自放电率根据电池的制造方式和原材料的质量而有很大的不同。例如，高级筒管型的LiSOCl₂在环境温度下，电池可以提供低至每年0.7%的自放电率，从而在40年后保持其原始容量的70%以上。一个低级的LiSOCL₂在环境温度下，电池每年的自放电率为3%，导致电池每10年就会损失30%的原始容量，使电池寿命不可能达到40年，尤其是在极端温度下。

考虑到高脉冲要求

远程无线设备越来越需要高脉冲来支持先进的双向通信和远程关闭功能。一个典型的例子是AMR/AMI公用电表，它们通常被埋在地下坑中，然后被要求在电表发送单元(MTU)和主机之间查询和定期传输数据。

消费级锂电池由于其高倍率设计，可以提供AMR/AMI计量应用所需的高脉冲。然而，消费级锂电池对于AMR/AMI应用是完全不可接受的，因为其电压低(1.5 V)，温度范围有限(-0°C至60°C)，自放电率高，将其预期寿命缩短至1-2年，使得AMR/AMI网络高度不可靠，维护成本高。

超级电容器通常用于消费类产品，以提供高脉冲，同时最大限度地减少TMV。然而，超级电容器不适合许多工业应用，由于严重的缺点，如体积大，自放电率高达每年60%，以及有限的温度范围。由多个超级电容器组成的电源还需要平衡电路，从而消耗能量，增加成本。

标准筒子型LiSOCl₂电池可提供AMR/AMI应用所需的长寿命。然而，这些电池并不是设计来提供周期性的高脉冲，因为当第一次受到这种类型的脉冲负载时，它们会经历暂时的电压下降:这种现象被称为瞬态最小电压(TMV)。

为了克服这一挑战，标准筒管型的LiSOCl₂电池可以通过添加专利的混合层电容器(HLC)进行修改，以提供周期性的高脉冲。筒子类型的LiSOCl₂电池和HLC并联工作，标准电池提供3.6至3.9 V标称范围内的背景电流，而单单元HLC就像可充电电池一样存储和传输高脉冲。作为一个额外的好处，HLC具有独特的寿命结束性能曲线，允许控制器被编程发出“低电量”状态警报。

Bobbin-type LiSOCl₂电池也可以提供中等到高脉冲，几乎没有电压延迟或TMV，但不需要HLC或可能可以使用更少或更小的HLC。这些长寿命锂电池还能高效工作，特别是在极端温度下，可将其工作寿命延长至15%。

确保环境适合充电电池

某些远程无线应用可能非常适合能量收集设备，从太阳能、风能、热能和动能或RF/EM信号中提取能量，然后将能量存储在可充电锂离子电池中。

消费级锂离子电池有缺点，包括有限的温度范围和无法提供高脉冲，这使得它们不适合需要高级双向通信的应用。消费级可充电锂离子电池也有大约5年的有限寿命和500次完全充电循环。如果无线设备需要在不更换电池的情况下运行超过500次充电周期，则可能需要额外的电池以减少每个电池的平均放电深度。

幸运的是，工业级可充电锂离子电池可提供长达20年的电池寿命，最多可充电5000次。这些坚固的电池还具有-40°C至85°C的温度范围，并可以提供支持高级双向通信所需的高脉冲。

自供电远程无线设备的电源选择越来越多，特别是在极端环境下。初级和可充电锂电池可帮助最小化尺寸和重量，同时降低总拥有成本。

Tadiran
www.tadiranbat.com

---

了下:设计世界文章，电容器，能源管理+收获

---