長く達成する

Dec 21, 2023

超長寿命のリチウム電池は、IIoT 全体でリモート無線デバイスに電力を供給しており、一部のセルは最長 40 年間動作します。 この機能はもともと Automation 2023 の IIoT & Industry 4.0 エディションで登場しました。

寿命の長いバッテリーは、IIoT 全体で利用されるリモート ワイヤレス デバイスに不可欠であり、バッテリー交換の必要性を軽減または排除することで大きなコスト上のメリットをもたらします。 超長寿命バッテリーを使用すると、常にバッテリー自体のコストを超えるバッテリー交換に関連する人件費が不要になり、リモート ワイヤレス アプリケーションの大幅なコスト削減につながります。 このコスト削減の利点は、バッテリ アクセスが非常に高価で不可能な場合がある遠隔地や過酷な環境に展開されているリモート ワイヤレス デバイスにとって特に重要です。

低電力デバイスには 2 つのタイプがあります。 これらのデバイスの大部分は、主に「スタンバイ」状態で動作し、マイクロアンペアで測定可能な平均電流をマルチアンペア範囲のパルスで消費して、双方向無線通信に電力を供給します。 これらのアプリケーションは一般に、特にバッテリへのアクセスが制限されている場合や過酷な環境にある場合に、工業用グレードの一次 (非充電式) リチウム バッテリに依存します。 バッテリーが簡単に交換でき、適度な温度範囲内で動作する場合は、消費者グレードのバッテリーをより経済的なソリューションとして検討できます。また、特定のニッチな用途では、マルチパルスでミリアンペア単位で測定可能な平均エネルギーを消費するものもあります。アンペア範囲が狭くなり、一次電池の動作寿命を縮めるのに十分な平均エネルギーを消費します。 これらの高消費電力アプリケーションでは、収集したエネルギーを蓄えるために、充電式リチウムイオン (Li-ion) 電池と組み合わせたエネルギー収集デバイスの使用が必要になる場合があります。 最長 20 年間動作できる工業用グレードのリチウムイオン電池が入手可能になりました。さまざまな種類の一次 (非充電式) 化学反応が利用可能であり、それぞれが独自の性能上の利点とトレードオフを提供します。 これらの化学物質には、アルカリ、二硫酸鉄 (LiFeS2)、二酸化マンガン リチウム (LiMnO2)、塩化チオニル リチウム (LiSOCl2)、および金属酸化リチウムが含まれます (表 1)。 表 1: リモート ワイヤレスでの使用には、ボビン タイプの LiSOCl2 電池が推奨されます。アプリケーション。 これらのセルは、より高い容量とエネルギー密度、最大 40 年の動作寿命、可能な限り広い温度範囲を実現しており、アクセスが難しい場所や極端な環境に最適です。これらの主要な化学反応の中で、ボビン タイプの LiSOCl2 (図) 2) は、より高い容量とエネルギー密度、より広い温度範囲、および特定のセルの年間自己放電率が年間 1% 未満という信じられないほど低いため、遠隔地での長期導入に圧倒的に好まれます。

IIoT 接続デバイスは双方向無線通信を利用するため、特殊な電源管理ソリューションが必要です。 バッテリー寿命を最大限に延ばすには、これらのデバイスは、低電力通信プロトコル (WirelessHART、ZigBee、LoRa など)、低電力チップセット、独自の技術の使用など、さまざまな省エネ技術を採用してエネルギーを節約するように設計する必要があります。デバイスが「アクティブ」モードにあるときのエネルギー消費を最小限に抑えるように設計された技術。 これらの省エネ技術は非常に便利ですが、毎年の自己放電に伴うエネルギー損失によって小さく見えてしまうことがよくあります。セルが接続されていない場合や保管されている場合でも化学反応が発生するため、自己放電はすべてのバッテリーに共通しています。 バッテリーの年間自己放電率は、その化学的性質、セルの設計、現在の放電電位、原材料の品質と純度、そして最も重要なこととして、不動態化効果を活用する能力によって大きく異なります。 LiSOCl2 バッテリーの不動態化には、使用していない間の反応性を制限するために、リチウム アノードの表面に形成される塩化リチウム (LiCl) の薄膜が含まれます。 LiSOCl2 セルは 2 つの方法で構築できます。ボビン型セルは反応表面積が少ないのが特徴で、自己放電を減らすのに最適です。 ただし、その代償として、高レートのエネルギーを供給できなくなります。 LiSOCl2 バッテリーは、渦巻き構造で製造することもできます。これにより、より高いエネルギー流量が可能になりますが、その代わりに自己放電が増加するため動作寿命が短くなります。セルに負荷がかかると、不動態化層によって初期不良が発生します。放電反応によって LiCl 層が消散し始めるまで、抵抗が高く、電圧が一時的に低下します。このプロセスは、負荷が取り除かれるたびに繰り返されます。 不動態化効果を利用するセルの能力は、その電流容量によって影響を受ける可能性があります。 保管期間の長さ。 保管温度。 吐出温度。 部分的に放電したセルから負荷を取り除くと、新品時と比べて不動態化のレベルが増加するため、経験豊富な電池メーカーは、高品質の原材料の使用と独自の製造技術の採用により、不動態化効果を最適化できます。 不動態化は年間自己放電率を低減するのに非常に有益ですが、エネルギーの流れを過度に制限しないように、このプロセスを慎重に利用する必要があります。

標準的なボビンタイプの LiSOCl2 セルは不動態化効果を利用するのに理想的ですが、低速設計のため双方向無線通信に必要な高パルスを生成できません。 この課題は、標準的なボビン型 LiSOCl2 セルを使用して低レベルのバックグラウンド電流を供給しながら、高パルスを蓄積および供給するハイブリッド層コンデンサ (HLC) によって増強されるハイブリッド ソリューションで克服できます (図 3)。

一見同一のボビン型 LiSOCl2 セル間には、大きな違いが存在する可能性があります。 たとえば、優れた品質のボビン型 LiSOCl2 バッテリーは、年間 0.7% という低い自己放電率を特徴としており、40 年後も元の容量の 70% を維持できます。 対照的に、品質の悪いセルは自己放電率が年間最大 3% 高く、10 年ごとに容量の 30% が失われるため、40 年のバッテリー寿命は達成できなくなります。理想的なバッテリーを選択するのは難しい場合があります。その理由の 1 つは、自己放電の増加に伴う年間エネルギー損失が完全に明らかになるまでに何年もかかる可能性があり、バッテリーの予想寿命を見積もるために使用される予測モデルでは、不動態化効果や極端な温度への長期曝露の影響が過小評価される傾向があるためです。 予想されるバッテリー寿命を概算するためにさまざまなテスト手順を利用できます。最良の情報源は、現場で使用されているセルから取得した過去のテスト データです。投資収益率 (ROI) を最大化するためにバッテリー寿命の延長が不可欠な場合は、追加のいくつかの手順を実行することが有益です。同様の負荷および環境条件下での同等のデバイスに関する過去の現場テストデータとともに、完全に文書化された長期テスト結果を要求することによるデューデリジェンス。 競合するバッテリーを評価するときにより注意を払うことで、デバイスの信頼性と耐用年数が向上し、長期的に大幅な節約を達成できます。この機能はもともと Automation 2023 の IIoT & Industry 4.0 エディションで登場しました。

Sol Jacobs は、Tadiran Batteries の副社長兼ゼネラルマネージャーです。 彼はリモート デバイスに電力を供給する分野で 30 年以上の経験があります。 彼の学歴には、エンジニアリングの学士号と MBA が含まれます。

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