Zasilanie bateryjne urządzeń mobilnych

Mobilność to teraźniejszość, podobnie jak ekologia i konieczność zmniejszenia zużycia drogiej energii elektrycznej. Zauważalny stał się trend „uwalniania ze smyczy” zasilania sieciowego urządzeń specjalistycznych takich jak liczniki energii elektrycznej, sensory przemysłowe, urządzenia bezprzewodowe GSM i LoRaWAN. Świat urządzeń IoT domaga się o niezwykle trwałe i miniaturowe źródła zasilania do specjalnych poruczeń, które muszą wystarczyć na cały cykl życia urządzenia lub okres jego legalizacji. Mimo że określenie bateria oznacza połączenie kilku ogniw, potocznie jest używane także w odniesieniu do pojedynczych. Jako że termin pojawia się zamiennie, w praktyce i w potocznej rozmowie stosuje się oba pojęcia. Bateryjne źródła zasilania dzielimy na dwie grupy: - Ogniwa typu primary (pierwotne) – nie nadają się do powtórnego ładowania. Można je wykorzystać jeden raz. Oznaczane jako non rechargeable. Zostaną one omówione w niniejszym opracowaniu. - Ogniwa typu secondary (wtórne) - potocznie zwane akumulatorami, nadają się do wielokrotnego ładowania. Oznaczane jako rechargeable. Będą tematem przyszłych artykułów tematycznych. Baterie najczęściej spotykane w zastosowaniach konsumenckich, gdzie SEM ogniwa wynosi 1.5[V] to: - Ogniwa cynkowo – węglowe – Posiadają niską gęstość energii i dostarczają niższych prądów. Pracują w temperaturach -10⁰C do +50⁰C i nadają się do przechowywania około 2 lata po dacie produkcji. Przekroczenie tej daty grozi wylaniem baterii i uszkodzeniem urządzenia. - Ogniwa alkaliczne – większa gęstość energii i większy zakres pracy -30⁰C do 70⁰C to znaczna przewaga tego typu rozwiązań. Mogą być przechowywane kilka lat po dacie produkcji. Są jednak droższe od ogniw cynkowo-węglowych. Ogniwa srebrowe o bardzo płaskiej krzywej rozładowania przez lata dominowały w zastosowaniach takich jak: zegarki elektroniczne czy światłomierze. • Posiadają bardzo dużą gęstość energii • Krzywa rozładowania jest płaska • Elektrolit jest niepalny i bezpieczny Obecnie większość urządzeń mobilnych czy IoT wykorzystuje ogniwa litowe i taki rodzaj chemii ogniw omówimy dokładniej. Ogniwa takie wypierają ogniwa cynkowo-węglowe, alkaliczne i srebrowe dzięki znacznie większej gęstości energii i wyższemu SEM: - Li-SOCl2 – stabilne źródło zasilania o napięciu 3,6[V] o liniowej charakterystyce rozładowania i bardzo dużej gęstości energii. Ta kompozycja chemii sprawdzi się doskonale w przypadku urządzeń pracujących z małym poborem prądu (komunikacja LoRaWAN, ZigBee, BLE, Z-Wave). Mają wskaźnik samorozładowania rzędu 1% na rok, dzięki czemu nie ma konieczności ich wymiany lub następuje to bardzo rzadko (co kilka lat). - Li-MNO2 – stabilne źródło zasilania o napięciu 3.0[V] dla aplikacji wymagających większej wydajności prądowej (komunikacja GSM, 3G, 4G, WLAN). Duża trwałość, niskie samorozładowanie to duże plusy chemii tego rodzaju. - Li-Po – ogniwa litowo-polimerowe występują w wielu rozmiarach, co pozwala je zastosować w różnorodnych konstrukcjach urządzeń gdzie płaska obudowa jest atutem. Ultra cienkie ogniwa mają jedynie 0.45[mm] grubości i doskonale nadają się do produkcji kart RFID. Większe, posiadają pojemność do 10[Ah]. Jako ciekawostkę wymienię fakt, że kształt ogniw może zostać dopasowany do kształtu obudowy urządzenia. Dwa pierwsze typy ogniw produkowane są w dwóch wariantach nazywanym „energy type” (większa pojemność, konstrukcja typu „bobbin”) oraz „high power type” (większe prądy rozładowania, konstrukcja typu „spiral”). Użytkownikom ogniw przypomnę, że ogniwa Li-SOCl2 powinny być poddane depasywacji zanim zostaną zamontowane w sterowniku czy innym urządzeniu „z pamięcią nastaw”. Inaczej może się okazać że dane zostaną bezpowrotnie utracone. Depasywację przeprowadzamy za pomocą rezystora o wartości około 10kΩ, mierząc napięcie wyjściowe ogniwa. Gdy jego wartość rośnie, zbliżając się do nominalnej 3,65V dla nowego ogniwa, oznacza to że odzyskało ono swoje własności. Ogniwa Li-MNO2 nie podlegają pasywacji. Spotka się również ogniwa typu primary Li-CFx oparte na fluorku węgla, które dysponują SEM 3.0V. Nie są one jednak tak powszechne jak wspomniane wyżej. Należy pamiętać że choć ogniwa litowe mają dużą gęstość energii, przez co są lekkie i wydajne, nie są pozbawione wad. O pasywacji pisałem już wcześniej. W myśl przysłowia „Nie ma róży bez kolców” wymagają specjalnego traktowania podczas transportu i przechowywania. W przypadku zaniedbań, mogą spowodować zagrożenie pożarowe lub poparzenie użytkownika. Ogniwa uszkodzone należy odpowiednio zabezpieczyć taśmą izolacyjną, zanim zostaną zutylizowane. Pamiętajmy także aby zużyte ogniwa poddać recyklingowi, nie mieszając ich z innymi rodzajami odpadów. Odpowiednio oznaczone pojemniki można spotkać nawet w supermarketach czy w sklepach osiedlowych. Podczas Wireless Days by JM Elektronik jeden z paneli wykładowych będzie poświęcony zaawansowanym aspektom zasilania urządzeń komunikujących się w technologii GSM i LoRaWAN. Spotkania odbędą się największych miastach Polski: Gdańsku, Krakowie, Warszawie i we Wrocławiu w prestiżowych lokalizacjach. Opowiem w jaki sposób wyglądają profile prądowe urządzeń pracujących w poszczególnych technologiach, jakie rozwiązania układowe zastosować oraz jaki sposób pomiaru poboru mocy jest odpowiedni, aby móc precyzyjnie dobrać ogniwo czy przetwornicę zasilającą układ. © Sławomir Szczepaniec, JM ELEKTRONIK Portal evertiq jest patronem medialnym cyklu seminariów Wireless Day, na którym omawiana będzie między innymi tematyka przedstawiona w artykule.