Akumulatory stosowane w urządzeniach IoT muszą spełniać szereg pozornie sprzecznych wymogów funkcjonalnych. Z tego względu wybór ogniwa lub pakietu do danej aplikacji powinien być poprzedzony skrupulatną analizą zarówno warunków otoczenia, jak i oczekiwanych parametrów samego urządzenia.
Specyfika zasilania w systemach IoT
Typową cechą niemal wszystkich urządzeń IoT jest specyficzny, impulsowy profil poboru prądu. Przez większość czasu sprzęt pozostaje zwykle w stanie uśpienia, a energię pobiera krótkimi, acz intensywnymi porcjami: podczas pomiaru, zapisu danych do wbudowanej pamięci, a przede wszystkim w trakcie transmisji poprzez wybrane łącze bezprzewodowe – najczęściej Bluetooth LE, Wi-Fi, LoRa, LTE-M czy NB-IoT. Średni pobór prądu może plasować się na poziomie pojedynczych mikroamperów czy nawet setek nanoamperów, ale prąd chwilowy podczas transmisji radiowej bywa wyższy o kilka rzędów wielkości. Akumulator musi więc zapewnić nie tylko odpowiednią pojemność, lecz także wystarczającą wydajność prądową, co ważne – również w najniższej przewidywanej temperaturze pracy.
W aplikacjach zewnętrznych zakres temperatur pracy staje się zresztą jednym z pierwszych kryteriów selekcji akumulatora. Wnętrze obudowy zamontowanej na elewacji, słupie, dachu lub w skrzynce technicznej może osiągać temperaturę znacznie wyższą niż temperatura powietrza, nawet jeżeli samo urządzenie nie wydziela podczas pracy mierzalnej ilości ciepła. Z kolei zimą wzrasta rezystancja wewnętrzna ogniw, przez co pogarsza się zdolność do oddawania dużych impulsów prądowych, a w dodatku zmniejsza się dostępna pojemność.
Same parametry to nie wszystko – o znaczeniu warunków testowych
W projektach wyposażonych tylko w wewnętrzne źródło energii bądź wymagających zasilania bezprzerwowego należy sprawdzać nie tylko nominalne wartości parametrów akumulatora, ale także warunki testu pojemności: prąd rozładowania, napięcie odcięcia czy też temperaturę, przy której wykonywano pomiar.
Niestety, w przypadku tanich akumulatorów bliżej nieznanego producenta zwykle w ogóle nie mamy dostępu do szczegółowej specyfikacji warunków testowych albo – co gorsza – dane te są mało wiarygodne. Da się wprawdzie samodzielnie wykonać testy na zestawie kilku czy nawet kilkunastu egzemplarzy próbnych, ale… najczęściej nie można mieć pewności co do powtarzalności parametrów ogniw pochodzących z różnych partii produkcyjnych.
Jako kontrprzykład dla takich sytuacji przywołamy porządnie opracowaną notę katalogową ogniwa litowo-polimerowego typu AKY0178 marki Akyga Battery – fragment dokumentacji można zobaczyć na rysunku poniżej. Przykładowo pojemność nominalna, równa w tym przypadku 1000 mAh, została podana dla ściśle określonych warunków testu, tj. dla rozładowania stałym prądem o wartości 0,2 C (czyli 200 mA) do wartości końcowej napięcia równej 2,75 V i – co ważne – po uprzednim pełnym naładowaniu metodą typową dla tego rodzaju ogniw.
Równie dokładnie producent wyspecyfikował między innymi żywotność akumulatora, wyrażoną liczbą cykli roboczych (każdy cykl to ładowanie prądem 0,2 C do napięcia końcowego 4,2 V, a następnie rozładowanie takim samym prądem do progu 2,75 V), po których pojemność spada do 80% wartości nominalnej. Liczba cykli ładowania/rozładowania jest szczególnie ważna w przypadku pracy ze źródłami odnawialnymi. W takich systemach akumulator może przez długi czas pracować w cyklach płytkiego doładowania, które w ograniczonym stopniu redukują żywotność ogniwa. W okresach niedoboru energii akumulator musi jednak zasilać urządzenie przez wiele godzin lub nawet dni bez możliwości uzupełnienia ładunku – w skrajnych przypadkach może to prowadzić praktycznie do całkowitego rozładowania ogniwa lub pakietu.
Kompensacja wpływu samorozładowania akumulatora
Niski poziom samorozładowania to kolejny ważny parametr, istotny zwłaszcza w urządzeniach o niewielkim poziomie średniego poboru prądu. W przypadku przykładowego ogniwa Li-Po typu AKY1131 / LP523450 parametr ten opisano przez wartość procentową ładunku, który pozostaje w akumulatorze po przechowywaniu go w temperaturze pokojowej przez 30 dni bez obciążenia. W najbardziej energooszczędnych urządzeniach może zdarzyć się tak, że wewnętrzny prąd upływu akumulatora będzie większy niż wypadkowy prąd pobierany przez urządzenie. Jeżeli mamy do czynienia z tego rodzaju aplikacjami, pojemność akumulatora należy dobrać przy uwzględnieniu pełnego bilansu energetycznego. Najpierw wyliczamy całkowity prąd pobierany przez mikrokontroler, czujniki, układ radiowy, przetwornicę DC/DC, ale także przez dzielnik rezystancyjny do pomiaru napięcia. Zwykle trzeba będzie także uwzględnić niewielki prąd wsteczny pobierany przez nieaktywną ładowarkę. Dopiero potem skalujemy wynik tak, by skompensować samorozładowanie akumulatora. W przypadku aplikacji narażonych na duże wahania temperatury otoczenia trzeba także uwzględnić zmianę dostępnej pojemności, wynikającą ze specyfiki zastosowanej chemii. I znów – w przypadku markowych akumulatorów producenci rzetelnie podają osiągi danego modelu – w tabeli poniżej pokazano stosowny fragment raportu testowego ogniwa Li-Po typu AKY1131 / LP523450.
Wybór liczby ogniw: 1S, 2S, a może jeszcze więcej?
Zasilanie pojedynczym ogniwem (1S)
W wielu niewielkich urządzeniach IoT wystarczające będzie pojedyncze ogniwo litowo-polimerowe o napięciu nominalnym 3,7 V i napięciu ładowania typowo 4,2 V. Taki wybór jest naturalny dla układów z mikrokontrolerami zdolnymi do pracy w szerokim zakresie napięć – np. niektórych rodzin STM32, które mogą być zasilane napięciem wynoszącym nawet zaledwie 1,7 V. W celu optymalizacji wykorzystania dostępnej pojemności warto zastosować przetwornicę DC/DC obniżającą napięcie lub – jeżeli układ wymaga stabilnego zasilania rzędu 3,0…3,3 V – przetwornicę typu buck-boost. Przy mniej restrykcyjnych wymaganiach można też rozważyć użycie odpowiednio dobranego stabilizatora LDO.
Schemat blokowy prostego sensora IoT zasilanego za pomocą akumulatora 1S (rys. HardwareDesigner.pl)
Zasilanie z użyciem ogniwa Li-Po 1S niesie ze sobą szereg zalet, w tym przede wszystkim: szerszy wybór scalonych układów ładowarek, brak konieczności balansowania ogniw, a także możliwość łatwego doboru odpowiednich rozmiarów i pojemności ogniwa z szerokiej oferty rynkowej.
Kiedy potrzebne jest wyższe napięcie?
Pakiet złożony z dwóch (2S) lub większej liczby ogniw ma sens wtedy, gdy urządzenie zawiera bloki rzeczywiście wymagające wyższego napięcia i/lub dużej mocy szczytowej. Dotyczy to m.in. elektrozaworów, silników elektrycznych, niektórych modemów komórkowych, podświetlenia LED większej mocy itp. Wyższe napięcie dostarczane przez pakiet pozwala obniżyć wartość prądu pobieranego z akumulatora. Jak to możliwe?
Dla przykładu załóżmy, że musimy zasilić silnik o napięciu nominalnym 6 V i prądzie 1 A. Przy zasilaniu za pomocą pojedynczego ogniwa o typowym napięciu 3,7 V, przetwornica podwyższająca napięcie musiałaby wygenerować napięcie wyjściowe równe 162% Uin. W tych warunkach prąd pobierany z ogniwa przekroczyłby zatem 1,6 A, co wymusiłoby zastosowanie akumulatora o odpowiednio wysokim dopuszczalnym prądzie rozładowania – a to często jest równoznaczne z odpowiednio wyższą pojemnością akumulatora. Użycie pakietu 2S zmniejszyłoby nie tylko szczytowy prąd rozładowania, ale także straty na rezystancji przewodów czy w tranzystorach układu PCM, ale z kolei wiązałoby się z komplikacją ładowania, zabezpieczenia i diagnostyki źródła energii.
W pakietach wielocelowych zalecane jest zwykle monitorowanie napięcia każdego ogniwa, zabezpieczenie przed niezrównoważonym ładowaniem i rozładowaniem ogniw oraz zastosowanie wyspecjalizowanego układu zarządzającego procesem ładowania. W praktyce oznacza to przejście z prostego akumulatora 1S z niewielkim modułem PCM i relatywnie prostym układem ładowarki do kompletnego pakietu z układem BMS obejmującym balanser, zabezpieczenia i rozbudowaną ładowarkę dobraną odpowiednio do liczby ogniw. W małym urządzeniu IoT warto więc zaczynać analizę od wariantu 1S, a pakiet 2S lub większy traktować jako ostateczność, gdy jest to absolutnie niezbędne.
Zabezpieczenia: PCM, NTC i kontrola ładowania
W urządzeniu produkowanym seryjnie zdecydowanie warto stosować akumulatory Li-Po z wbudowanymi modułami PCM, które zabezpieczają je przed przeładowaniem, nadmiernym rozładowaniem, przeciążeniem prądowym i zwarciem. PCM nie zastępuje jednak ładowarki CC/CV ani poprawnie zaprojektowanej logiki zasilania. Należy go traktować tylko jako ostatnią linię zabezpieczenia, na wypadek awarii obwodów sterujących lub zabezpieczających wbudowanych w urządzenie.
W niektórych aplikacjach warto zdecydować się na akumulator z wbudowanym termistorem NTC. Dodatkowe wyprowadzenie czujnika, czyli trzeci przewód, pozwala ładowarce na ograniczenie lub zablokowanie ładowania poza dopuszczalnym zakresem temperatury. Czujnik NTC pozwala także na łatwe monitorowanie warunków pracy ogniwa lub pakietu. Jeżeli akumulator nie ma wewnętrznego NTC, można wyposażyć urządzenie w termistor umieszczony możliwie blisko powierzchni akumulatora, najlepiej połączony z jego obudową za pomocą kleju termoprzewodzącego.
Akumulatory wysokotemperaturowe
Większość typowych ogniw i pakietów Li-Po jest przeznaczona do pracy w temperaturach do +60°C. Jeżeli istnieje realne ryzyko, że urządzenie może w trakcie pracy być narażone na warunki termiczne bliskie lub przekraczające ten próg, trzeba wybrać model o rozszerzonym zakresie temperatur pracy. Przykładem niewielkich akumulatorów litowo-polimerowych mogących bezpiecznie funkcjonować przy temperaturze sięgającej nawet +85°C są modele Akyga Battery AKY0972 i AKY1407. Poniżej zebrano najważniejsze parametry tych ogniw.
- Pojemność: 360 mAh
- Napięcie nominalne: 3,7 V
- Konfiguracja: 1S + PCM
- Zakres temperatur pracy: -10…+85°C (rozładowanie), 0…+45°C (ładowanie)
- Nominalny prąd ładowania i rozładowania: 0,2 C
- Maksymalny prąd ładowania i rozładowania: 1 C
- Złącze: JST SHR-02V-S, 2 piny, raster 1,00 mm
- Długość przewodu: 80 mm
- Wymiary nominalne: 5,0 × 17 × 45 mm
- Masa: około 7 g
- Pojemność: 250 mAh
- Napięcie nominalne: 3,7 V
- Konfiguracja: 1S + PCM
- Zakres temperatur pracy: -10…+85°C (rozładowanie), 0…+45°C (ładowanie)
- Nominalny prąd ładowania i rozładowania: 0,2 C
- Maksymalny prąd ładowania i rozładowania: 1 C
- Złącze: JST SHR-02V-S, 2 piny, raster 1,00 mm
- Długość przewodu: 50 mm
- Wymiary według danych dystrybucyjnych: 5,0 × 20 × 30 mm
- Masa: około 7,35 g
Podsumowanie
Dobór akumulatora Li-Po do urządzenia IoT powinien wynikać z sumiennie przeprowadzonej analizy profilu energetycznego całego systemu. W większości małych węzłów pomiarowych wystarczy pojedyncze ogniwo litowo-polimerowe, ale wymaga ono odpowiedniego kompromisu pomiędzy stopniem złożoności obwodów zasilania (przetwornica DC/DC typu buck lub buck-boost, stabilizator LDO, a nawet kompletny układ PMIC), a stopniem wykorzystania dostępnej pojemności akumulatora. Zastosowanie wyższego napięcia warto rozważać dopiero w przypadku obciążeń wymagających większej mocy lub zapasu napięcia. W aplikacjach zewnętrznych szczególne znaczenie ma zakres temperatur roboczych, zaś w urządzeniach energooszczędnych – prąd samorozładowania. Niezależnie od zastosowania warto wybierać akumulatory z wbudowanymi modułami PCM, stanowiącymi absolutne minimum bezpieczeństwa.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Battery
Akyga Battery to linia produktowa marki Akyga Components, oferująca praktyczne rozwiązania zasilania dla elektroniki użytkowej i przemysłowej. Baterie pierwotne oraz akumulatory Akyga projektowane są z myślą o stabilnej pracy i niezawodnym dostarczaniu energii w urządzeniach takich jak czujniki, piloty czy sprzęt przenośny. Więcej informacji można znaleźć na stronie: akygabattery.com
