Bezprzewodowy węzeł czujnika środowiskowego spędza prawie całe życie na niczym, a następnie prosi swoją baterię o wszystko naraz. Przez minuty śpi, pobierając jedynie prąd na poziomie mikroamperów, potrzebny do utrzymania pamięci i pracy zegara czasu rzeczywistego; na kilkaset milisekund budzi się, wzbudza czujnik, wykonuje konwersję analogowo-cyfrową i sekwencję mikrokontrolera, a następnie włącza radiową sieć rozległą niskiej mocy, której stopień nadawczy może wymagać od 50 do 150 mA. Ten skrajny stosunek prądu spoczynkowego do aktywnego, często obejmujący cztery lub pięć rzędów wielkości, jest faktem definiującym projektowanie zasilania węzła. Ten artykuł — pierwszy z trzech o zasilaniu niklowo-wodorkowym dla bezprzewodowej detekcji środowiskowej — analizuje ten reżim energii pulsującej, pokazuje, jak współdziałają prąd średni, prąd szczytowy i spadek napięcia, oraz wyjaśnia, dlaczego akumulatorowe ogniwo NiMH lub mały pakiet, często w parze ze zbiornikiem kondensatorowym i zbieraczem energii, jest świadomym i uzasadnionym wyborem wszędzie tam, gdzie węzeł jest utrzymywany, wspomagany słonecznie lub musi dostarczać wysokie impulsy radiowe bez załamania napięcia, które paraliżuje małe ogniwa pierwotne.
Węzeł środowiskowy zbudowany na stosie rozległym niskiej mocy, takim jak LoRaWAN lub NB-IoT, jest automatem skończonym stanów energetycznych. W głębokim śnie mikrokontroler, front-end czujnika i radio są bramkowane, a dobrze zaprojektowany sprzęt utrzymuje ten stan poniżej około 100 mikroamperów, przy najlepszych w klasie projektach znacznie niżej. Przy wybudzeniu czasowym lub zdarzeniowym próbkowanie czujnika pobiera rzędu 0,5–5 mA przez dziesiątki do setek milisekund, gdy przetworniki, wzmacniacze i konwerter się stabilizują; logowanie do flash dodaje kolejny impuls 10–20 mA. Impuls nadawczy LPWAN jest zdarzeniem rozstrzygającym: opublikowane wskazówki projektowania niskomocowego umieszczają stopień nadawczy na poziomie około 50–150 mA przez czas przebywania w powietrzu, który sam zależy od współczynnika rozprzestrzeniania i ładunku użytkowego.
Energia jest całką prądu w czasie, więc właściwym obiektem projektowania nie jest żaden pojedynczy prąd, lecz pełny cykl. Węzeł, który śpi przy 20 mikroamperach, raz na dziesięć minut próbuje przez 200 ms przy 2 mA i nadaje przez 800 ms przy 100 mA, spędza przytłaczającą większość swojego budżetu kulombowskiego w impulsie radiowym, mimo że impuls zajmuje znikomą część czasu zegarowego. Obniżenie prądu snu z 20 do 5 mikroamperów jest warte wysiłku, ale obniżenie energii nadawania — krótszy ładunek użytkowy, niższy współczynnik rozprzestrzeniania, gdy margines łącza na to pozwala, mniej ponowień — zwykle daje więcej, dlatego konfiguracji radiowej i wyboru baterii nie można rozdzielać.
Bateria z dużą pojemnością nominalną może wciąż zawieść węzeł, jeśli jej napięcie zaciskowe opadnie poniżej odcięcia regulatora lub radia podczas impulsu nadawczego. Mała bateria guzikowa, na przykład, jest wymiarowana dla beaconów BLE i ciągłych obciążeń mikroamperowych i jest powszechnie uznawana za nieodpowiednią do impulsów nadawczych LoRa, ponieważ jej impedancja wewnętrzna nie utrzymuje napięcia wobec impulsu 100 mA; wskazówki projektowania zamiast tego wskazują na ogniwa w formacie AA, chlorek tionylu litu z kondensatorem impulsowym, jonowo-litowe lub buforowaną chemię akumulatorową. Wymóg impulsowy jest najpierw problemem impedancji, a dopiero potem problemem energii.
Szczelne ogniwa NiMH są z natury urządzeniami niskiej impedancji. Podręczniki producentów podają impedancję wewnętrzną rzędu 25–35 miliomów dla naładowanej AA przy 1 kHz, a linie przemysłowe są oferowane z prądami rozładowania do kilku amperów. Przy impulsie nadawczym 100 mA impedancja ta daje mały, przewidywalny spadek omowy, a nie głębokie załamanie wysokiej impedancji pierwotnej baterii guzikowej — właśnie takie zachowanie potrzebne jest radiu, by utrzymać zasilanie swojego stopnia PA powyżej progu zaniku napięcia. Pierwsza animowana rycina rozdziela wkład energetyczny każdego stanu; druga kreśli obwiednię napięcia, którą pakiet musi utrzymać przez zdarzenie nadawcze.
Szacowanie czasu pracy oznacza obliczenie prądu uśrednionego w cyklu, a następnie zastosowanie łańcucha realistycznych odwartościowań dla temperatury, sprawności impulsowej, samorozładowania, napięcia odcięcia, ponowień sieciowych i starzenia – tę samą metodę zalecaną w literaturze czasu pracy baterii LoRaWAN i NB-IoT. Prąd średni to ładunek na cykl podzielony przez okres cyklu; dostępna pojemność to pojemność znamionowa ogniwa pomniejszona o frakcję nieosiągalną powyżej odcięcia regulatora, o straty niskotemperaturowe i degradację kalendarzową. Ignorowanie tych odwartościowań daje żywoty arkuszowe, których wdrożenia polowe nigdy nie osiągają.
Dla pierwotnego, nieakumulatorowego węzła obliczenia kończą się interwałem serwisowym mierzonym w latach, dlatego chlorek tionylu litu dominuje dziesięcioletnie, bezobsługowe pomiary. Dla utrzymywanego lub zbierającego węzła obliczenia są zamiast tego dobowym bilansem energetycznym: energia zebrana przez małe ogniwo fotowoltaiczne lub inny przetwornik musi przewyższać średnie obciążenie uśrednione przez okno ciemności najgorszego sezonu. NiMH wchodzi tu jako akumulatorowy, odporny na cykle bufor, wielokrotnie dopełniany zamiast jednorazowo wyczerpywany, a jego niskosamorozładowowe formulacje są niezbędne, by utrzymać bilans w ryzach podczas długich okresów półmroku.
Wiele węzłów środowiskowych w ogóle nie jest prawdziwymi urządzeniami na baterie pierwotne: ogniwo fotowoltaiczne, generator termoelektryczny lub inny zbieracz zasila układ scalony zarządzania energią, który ładuje element magazynujący prowadzący węzeł przez ciemność i dostarczający impuls radiowy. W tej architekturze element magazynujący musi akceptować płytkie, nieregularne ładowanie ze słabego źródła, przetrwać setki do kilku tysięcy płytkich cykli i dostarczać wysoki prąd na żądanie. To właśnie obowiązki, w których szczelne ogniwo lub pakiet NiMH, z tolerancją przeładowania w granicach projektowych i zdolnością impulsową, czuje się swobodnie.
Popularne udoskonalenie umieszcza mały superkondensator lub wielowarstwowy ceramiczny zbiornik równolegle z pakietem NiMH: ogniwo dostarcza energię cyklu przy niskim ciągłym tempie, podczas gdy kondensator dostarcza chwilowy prąd nadawczy, ograniczając spadek napięcia i zmniejszając skuteczne (RMS) obciążenie ogniwa. Ten hybrydowy układ pozwala projektantom użyć skromnej pojemności NiMH — wymiarowanej do celu autonomii przez ciemność, a nie do prądu szczytowego — jednocześnie spełniając impuls radiowy. Architekturę cechuje też łagodne zawodzenie, ponieważ wyczerpany pakiet odzyskuje sprawność, gdy tylko zbieranie się wznowi, zamiast wymagać wizyty na miejscu.
Pierwotne ogniwa chlorku tionylu litu wyznaczają wzór bezobsługowego życia: łączą wysoką gęstość energii, samorozładowanie poniżej około jednego procentu rocznie i pracę do bardzo niskich temperatur, dlatego są domyślnym wyborem dla dziesięcioletnich węzłów inteligentnych liczników. NiMH nie wygrywa konkursu bezobsługowej dekady i nie powinien być specyfikowany tam, gdzie węzeł naprawdę nigdy nie będzie ponownie odwiedzony. Jego samorozładowanie — nawet w niskosamorozładowych klasach zachowujących około trzech czwartych ładunku po roku — i niższa gęstość energii są realnymi ograniczeniami, które budżet energetyczny musi uwzględniać.
NiMH wygrywa natomiast inny zestaw przypadków: węzły utrzymywane według harmonogramu, węzły zlokalizowane wraz ze słonecznym lub innym zbieraczem, węzły, których wysoki prąd impulsowy i tak wymusiłby kosztowny hybrydowy układ pierwotny-plus-superkondensator, zimne, ale nie ekstremalne miejsca, gdzie ceniona jest akumulatorowa chemia, którą można ładować poniżej zera, oraz produkty, których profil regulacyjny lub klienta preferuje bezlitowe, proste w transporcie ogniwo. Określenie wyboru jako właściwego narzędzia dla cyklu pracy — a nie uniwersalnego zwycięzcy — sprawia, że specyfikacja zasilania jest obronna.
Analiza profilu obciążenia daje konkretną listę kontrolną: zmierzyć lub uzyskać prąd każdego stanu, czas trwania i powtarzanie każdego impulsu nadawczego, najgorsze zachowanie przy ponowieniach, odcięcie napięcia zasilania radia i regulatora, zakres temperatury otoczenia oraz realia utrzymania lub zbierania w danym miejscu. Z tych danych projektant oblicza prąd średni, prąd szczytowy i wymagany zbiornik, a następnie wybiera chemię, której impedancja i zachowanie cykliczne pasują.
Na drodze NiMH kolejny artykuł przekłada ten profil na projekt pakietu – format i liczbę ogniw, pojemność wobec celu autonomii w ciemności, wymiarowanie zbiornika kondensatorowego, zarządzanie ładowaniem od słabego, przerywanego zbieracza, wybór niskiego samorozładowania i układ termiczny. Trzeci artykuł obejmuje program kwalifikacji – osiągi IEC 61951-2, bezpieczeństwo IEC 62133-2, testy obudowy i środowiskowe, zgodność urządzeń radiowych i transport – który zamienia wiarygodny prototyp w węzeł, który można z zaufaniem wdrożyć w terenie.
Weijiang Power projektuje i wytwarza szczelne ogniwa niklowo-wodorkowe i dopasowane pakiety przemysłowe dla zdalnego, off-grid i związanego z bezpieczeństwem sprzętu, i wspiera partnerów OEM plikami osiągów IEC 61951-2, dowodami bezpieczeństwa IEC 62133-2, charakteryzacją obciążeń impulsowych, testami szerokotemperaturowymi i wspólną walidacją ładowarka/pakiet. Podaj nam swój cykl pracy, prąd szczytowy, obwiednię temperaturową, cel autonomii i normy, które musi spełniać Twój produkt, a nasi inżynierowie wyspecyfikują kombinację ogniwo-i-pakiet chroniącą czas pracy, niezawodność i żywotność. Przejrzyj asortyment na stronie produktów.
