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Sorgfalt bei der Auswahl der Batterien senkt die Betriebskosten von drahtlosen Fernsensoren. Diese Funktion stammt aus dem E-Book AUTOMATION 2023 Band 3: IIoT & Industrie 4.0.

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) dehnt sich auf immer entlegenere Standorte aus, wobei mit Lithiumbatterien betriebene drahtlose Ferngeräte digitale Konnektivität für praktisch alle industriellen Anwendungen ermöglichen, einschließlich SCADA, Prozesssteuerung, Industrierobotik, Anlagenverfolgung, Sicherheitssysteme, Umweltüberwachung, M2M, KI und drahtlose Mesh-Netzwerke, um nur einige zu nennen. Lithiumbatterien in Industriequalität ermöglichen eine intelligentere Nutzung von Ferndaten, um die betriebliche Effizienz zu verbessern, die Qualitätskontrolle zu verbessern, Vermögenswerte zu verfolgen, eine größere Umweltverträglichkeit zu fördern, Lieferketten zu optimieren und die Produktivität zu steigern. Predictive-Maintenance-Programme vor Ort und mehr. Durch den Einsatz von Batterien entfällt auch die kosten- und zeitraubende Aufgabe, die Geräte fest zu verkabeln. Da zahlreiche Batteriechemien zur Auswahl stehen, umfasst der Prozess der Ermittlung der idealen Leistung verschiedene Kriterien, darunter:

Ein drahtloses Remote-Gerät ist nur so zuverlässig wie seine Batterie. Um die Betriebslebensdauer zu maximieren, müssen Konstrukteure zahlreiche Faktoren berücksichtigen, wie z. B. die im aktiven Modus verbrauchte Energiemenge (einschließlich Größe, Dauer und Frequenz der Impulse); die Menge an Energie, die verbraucht wird, während sich das Gerät im Standby-Modus befindet (der Basisstrom); die Dauer der Lagerung (da die normale Selbstentladung während der Lagerung die Kapazität verringert); die Auswirkungen thermischer Umgebungen (einschließlich Lagerung und Betrieb vor Ort); Abschaltspannung des Geräts (wenn die Batteriekapazität erschöpft ist oder bei extremen Temperaturen kann die Spannung auf einen Wert abfallen, der für den Betrieb des Sensors zu niedrig ist). Am wichtigsten ist, dass der Konstrukteur die jährliche Selbstentladungsrate der Batterie berücksichtigen muss, die häufig die beim Betrieb des Geräts verbrauchte Energiemenge übersteigt.

Es stehen zahlreiche primäre (nicht wiederaufladbare) Lithiumbatteriechemien zur Verfügung (Tabelle 1). Am einen Ende des Spektrums stehen kostengünstige Alkalibatterien, die eine hohe Dauerenergie liefern, aber unter einer sehr hohen Selbstentladungsrate (die die Lebensdauer der Batterie einschränkt), einer geringen Kapazität und Energiedichte (was zu größerer Größe und Masse führt) und einer Betriebsunfähigkeit leiden bei extremen Temperaturen aufgrund der Verwendung wasserbasierter Bestandteile. Am anderen Ende des Spektrums stehen Lithiumchemien in Industriequalität. Als leichtestes, nicht gasförmiges Metall weist Lithium ein intrinsisches negatives Potenzial auf, das alle anderen Metalle übertrifft und die höchste spezifische Energie (Energie pro Gewichtseinheit) und höchste Energiedichte (Energie) liefert pro Volumeneinheit) und höhere Spannung (OCV) im Bereich von 2,7 bis 3,6 V. Die chemische Zusammensetzung von Lithiumbatterien ist außerdem nichtwässrig und friert daher bei extrem kalten Temperaturen weniger ein. Lithium-Thionylchlorid-Batterien (LiSOCl2) vom Spulentyp werden überwiegend für Langzeiteinsätze bevorzugt, da sie die höchste Kapazität und Energiedichte bieten und den Anforderungen standhalten Sie eignen sich für die extremsten Temperaturen (-80 °C bis +125 °C) und weisen bei bestimmten Zellen eine jährliche Selbstentladungsrate von nur 0,7 % pro Jahr auf, sodass eine Batterielebensdauer von 40 Jahren möglich ist. LiSOCl2-Batterien vom Spulentyp bieten folgende Vorteile:

Mit den KI-fähigen elektronischen Halsbändern von Cattlewatch können Viehzüchter ihre Rinderherden aus der Ferne verfolgen, indem sie über ein LoRaWAN-Netzwerk mit extrem geringem Stromverbrauch Verhaltensinformationen und Warnungen bereitstellen. Ausgewählte Mitglieder der Herde sind mit solarbetriebenen Kommunikatoren ausgestattet, die ein drahtloses mechanisches Netzwerk bilden, an dem die gesamte Herde beteiligt ist. Die wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien der Tadiran TLI-Serie stellen eine leichte Lösung dar, die extremen Temperaturen standhält, eine Betriebslebensdauer von bis zu 20 Jahren und 5.000 vollständige Ladezyklen bietet und die hohen Impulse erzeugt, die für die Stromversorgung drahtloser Fernkommunikation erforderlich sind.

Bei allen Batterien kommt es zu einem gewissen Grad an Selbstentladung, da chemische Reaktionen geringe Mengen Strom verbrauchen, auch wenn die Zelle nicht verwendet oder nicht angeschlossen ist. Die Selbstentladung kann durch die Steuerung des Passivierungseffekts minimiert werden, wodurch sich ein dünner Film aus Lithiumchlorid (LiCl) bildet die Oberfläche der Lithiumanode, um sie von der Elektrode zu trennen und die chemischen Reaktionen zu reduzieren, die eine Selbstentladung verursachen. Immer wenn die Zelle belastet wird, erfährt die Batterie zunächst einen hohen Widerstand und einen vorübergehenden Spannungsabfall, bis die Entladereaktion beginnt, die Passivierungsschicht aufzulösen: ein Vorgang, der sich bei jeder Belastung wiederholt. Der Passivierungseffekt kann je nach Belastung variieren hängt von der aktuellen Entladekapazität der Zelle, der Lagerdauer, der Lagertemperatur, der Entladetemperatur und den vorherigen Entladebedingungen ab, da das teilweise Entladen einer Zelle und das anschließende Entfernen der Last den Grad der Passivierung mit der Zeit erhöht. Während die Nutzung des Passivierungseffekts für die Reduzierung der Selbstentladung unerlässlich ist, kann es zu sehr problematisch sein, wenn dadurch der Energiefluss übermäßig eingeschränkt wird. LiSOCl2-Zellen vom Spulentyp unterscheiden sich erheblich hinsichtlich ihrer Fähigkeit, den Passivierungseffekt zu nutzen. Hochwertige LiSOCl2-Batterien mit Spulenkörper können beispielsweise eine Selbstentladungsrate von nur 0,7 % pro Jahr aufweisen und behalten somit nach 40 Jahren fast 70 % ihrer ursprünglichen Kapazität. Umgekehrt können LiSOCl2-Zellen geringerer Qualität eine Selbstentladungsrate von bis zu 3 % pro Jahr aufweisen, wodurch alle 10 Jahre fast 30 % ihrer verfügbaren Kapazität erschöpft werden, was ihre Betriebslebensdauer erheblich verkürzt.

Ferngesteuerte drahtlose Geräte mit geringem Stromverbrauch erfordern zunehmend periodische Impulse von bis zu 15 A, um die bidirektionale drahtlose Kommunikation zu unterstützen. Standardmäßige LiSOCl2-Zellen mit Spulenkörper sind aufgrund ihres Designs mit niedriger Rate nicht in der Lage, diese hohen Impulse zu liefern. Diese Hürde kann durch den Einsatz eines patentierten Hybridschichtkondensators (HLC) leicht überwunden werden. Diese Hybridlösung nutzt die standardmäßige LiSOCl2-Zelle mit Spulenkörper, um im Standby-Modus einen nominalen Hintergrundstrom zu liefern, während der HLC hohe Impulse zur Unterstützung der Datenübertragung liefert. Als zusätzlichen Bonus erfährt der HLC ein einzigartiges Spannungsplateau am Ende seiner Lebensdauer, das so interpretiert werden kann, dass es Warnungen wegen niedrigem Batteriestatus auslöst. Superkondensatoren erfüllen eine ähnliche Funktion in der Unterhaltungselektronik, sind jedoch aufgrund schwerwiegender Einschränkungen schlecht für industrielle Anwendungen geeignet, darunter: kurzzeitige Leistung; lineare Entladungsqualitäten, die nicht die Nutzung der gesamten verfügbaren Energie ermöglichen; geringe Kapazität; niedrige Energiedichte; und sehr hohe Selbstentladungsraten von bis zu 60 % pro Jahr. In Reihe geschaltete Superkondensatoren erfordern außerdem den Einsatz teurer Zellenausgleichsschaltungen, die zusätzliches Volumen erzeugen und zusätzlichen Strom verbrauchen, was ihre Lebensdauer weiter verkürzt.

Um den Return on Investment (ROI) zu maximieren, sollte die ideale batteriebetriebene Lösung über die gesamte Lebensdauer des Geräts halten, um die Notwendigkeit kostspieliger Batteriewechsel zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Es kann jedoch Jahre dauern, eine Batterie höherer Qualität von einer Zelle schlechterer Qualität zu unterscheiden, da die anfänglichen Kapazitätsverluste nicht leicht messbar sind. Darüber hinaus können die theoretischen Modelle und Algorithmen, die zur Berechnung der Batterielebensdauer verwendet werden, äußerst unzuverlässig sein, da sie dazu neigen, den Passivierungseffekt sowie die langfristige Einwirkung extremer Temperaturen zu unterschätzen. Bei der Spezifikation einer Batterie mit extrem langer Lebensdauer ist eine sorgfältige Due Diligence erforderlich. Von allen potenziellen Lieferanten sollte verlangt werden, vollständig dokumentierte und überprüfbare Testergebnisse zusammen mit Leistungsdaten vor Ort bereitzustellen, die ähnliche Geräte betreffen, die unter ähnlichen Lasten und Umgebungsbedingungen betrieben werden. Wenn Sie noch einen Schritt weiter gehen und Batterien sorgfältig vergleichen, könnte sich das erheblich auszahlen, da die Produktlebensdauer erhöht und die Gesamtbetriebskosten gesenkt werden. Bilder mit freundlicher Genehmigung von Tadiran Batteries. Diese Funktion stammt aus dem E-Book AUTOMATION 2023 Band 3: IIoT & Industrie 4.0.

Sol Jacobs ist Vizepräsident und General Manager von Tadiran Batteries. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Stromversorgung von Remote-Geräten. Sein Bildungshintergrund umfasst einen BS in Ingenieurwissenschaften und einen MBA.

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