Ultra

Jun 21, 2023

La diligenza nella specifica delle batterie riduce i costi operativi dei sensori wireless remoti. Questa funzionalità proviene dall'ebook AUTOMATION 2023 Volume 3: IIoT & Industry 4.0.

L'Internet of Things industriale (IIoT) si sta espandendo in località sempre più remote, con dispositivi wireless remoti alimentati a batteria al litio che offrono connettività digitale praticamente a tutte le applicazioni industriali, tra cui SCADA, controllo di processo, robotica industriale, tracciamento delle risorse, sistemi di sicurezza, monitoraggio ambientale, M2M, AI e reti mesh wireless, solo per citarne alcuni. Le batterie al litio di livello industriale consentono di applicare i dati remoti in modo più intelligente per migliorare l'efficienza operativa, migliorare il controllo di qualità, tenere traccia delle risorse, promuovere una maggiore sostenibilità ambientale, ottimizzare le catene di approvvigionamento, migliorare l'in- programmi di manutenzione predittiva sul campo e altro ancora. L'uso delle batterie elimina inoltre i costi e il tempo necessari per cablare i dispositivi. Con le numerose caratteristiche chimiche delle batterie tra cui scegliere, il processo di identificazione della potenza ideale coinvolge vari criteri, tra cui:

Un dispositivo wireless remoto è affidabile quanto la sua batteria. Per massimizzare la vita operativa, gli ingegneri progettisti devono considerare numerosi fattori come la quantità di energia consumata durante la modalità attiva (comprese le dimensioni, la durata e la frequenza degli impulsi); la quantità di energia consumata mentre il dispositivo è in modalità standby (la corrente di base); la durata dello stoccaggio (poiché la normale autoscarica durante lo stoccaggio diminuisce la capacità); l'impatto degli ambienti termici (incluso lo stoccaggio e il funzionamento sul campo); tensione di interruzione dell'apparecchiatura (quando la capacità della batteria si esaurisce o a temperature estreme, la tensione può scendere a un punto troppo basso per il funzionamento del sensore). L'aspetto più critico è che il progettista deve considerare il tasso annuale di autoscarica della batteria, che spesso supera la quantità di energia consumata durante il funzionamento del dispositivo.

Sono disponibili numerose caratteristiche chimiche delle batterie al litio primarie (non ricaricabili) (Tabella 1). A un'estremità dello spettro ci sono le batterie alcaline economiche che forniscono un'elevata energia continua ma soffrono di un tasso di autoscarica molto elevato (che limita la durata della batteria), bassa capacità e densità di energia (che aggiunge dimensioni e ingombro) e l'incapacità di funzionare. a temperature estreme grazie all'uso di componenti a base d'acqua. All'estremità opposta dello spettro ci sono i prodotti chimici del litio di livello industriale. Essendo il metallo non gassoso più leggero, il litio presenta un potenziale negativo intrinseco che supera tutti gli altri metalli, fornendo la più alta energia specifica (energia per unità di peso), la più alta densità di energia (energia per unità di volume) e tensione più elevata (OCV) compresa tra 2,7 e 3,6 V. Anche le caratteristiche chimiche delle batterie al litio non sono acquose e quindi hanno meno probabilità di congelare a temperature estremamente fredde. Le batterie al litio cloruro di tionile (LiSOCl2) del tipo a bobina sono preferite in gran parte per le implementazioni a lungo termine poiché forniscono la massima capacità e densità di energia, sopportano il temperature più estreme (da -80°C a +125°C) e presentano un tasso di autoscarica annuale pari allo 0,7% annuo per alcune celle, creando così il potenziale per una durata della batteria di 40 anni. Le batterie LiSOCl2 del tipo a bobina offrono i seguenti vantaggi:

I collari elettronici abilitati all’intelligenza artificiale di Cattlewatch consentono agli allevatori di monitorare a distanza le loro mandrie di bestiame fornendo informazioni comportamentali e avvisi utilizzando una rete LoRaWAN a bassissimo consumo. Membri selezionati della mandria sono dotati di comunicatori ad energia solare che formano una rete mech wireless che coinvolge l'intera mandria. Le batterie ricaricabili agli ioni di litio Tadiran serie TLI creano una soluzione leggera in grado di resistere a temperature estreme, offre fino a 20 anni di durata operativa e 5.000 cicli di ricarica completi e genera gli impulsi elevati necessari per alimentare le comunicazioni wireless remote.

Tutte le batterie subiscono una certa quantità di autoscarica poiché le reazioni chimiche assorbono piccole quantità di corrente anche quando la cella è inutilizzata o scollegata. L'autoscarica può essere ridotta al minimo controllando l'effetto di passivazione, per cui su di essa si forma una sottile pellicola di cloruro di litio (LiCl). la superficie dell'anodo di litio per separarlo dall'elettrodo per ridurre le reazioni chimiche che causano l'autoscarica. Ogni volta che viene posizionato un carico sulla cella, la batteria sperimenta un'elevata resistenza iniziale e un temporaneo calo di tensione fino a quando la reazione di scarica inizia a dissipare lo strato di passivazione: un processo che continua a ripetersi ogni volta che viene applicato un carico. L'effetto di passivazione può variare in base sulla capacità di scarica attuale della cella, sulla durata di conservazione, sulla temperatura di conservazione, sulla temperatura di scarico e sulle condizioni di scarica precedenti, poiché scaricare parzialmente una cella e quindi rimuovere il carico aumenta il livello di passivazione nel tempo. Sebbene sfruttare l'effetto di passivazione sia essenziale per ridurre l'autoscarica, può essere problematico se si limita eccessivamente il flusso di energia. Le celle LiSOCl2 di tipo a bobina variano in modo significativo in termini di capacità di sfruttare l'effetto di passivazione. Ad esempio, le batterie LiSOCl2 del tipo a bobina di alta qualità possono presentare un tasso di autoscarica pari allo 0,7% all'anno, conservando così quasi il 70% della loro capacità originale dopo 40 anni. Al contrario, le celle LiSOCl2 di qualità inferiore possono avere un tasso di autoscarica fino al 3% all’anno, esaurendo quasi il 30% della loro capacità disponibile ogni 10 anni, il che riduce notevolmente la loro vita operativa.