โหนดเซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อมไร้สายใช้เกือบทั้งชีวิตไปกับการไม่ทำอะไรเลย แล้วจึงขอทุกอย่างจากแบตเตอรี่ในคราวเดียว เป็นเวลาหลายนาทีที่มันหลับ โดยดึงกระแสเพียงระดับไมโครแอมป์ที่จำเป็นต่อการคงหน่วยความจำและการทำงานของนาฬิกาเวลาจริง เป็นเวลาสองสามร้อยมิลลิวินาทีที่มันตื่น กระตุ้นเซ็นเซอร์ ทำการแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลและลำดับไมโครคอนโทรลเลอร์ จากนั้นจึงเปิดวิทยุบริเวณกว้างกำลังต่ำซึ่งสเตจส่งอาจต้องการกระแส 50 ถึง 150 mA อัตราส่วนสุดขั้วระหว่างกระแสพักกับกระแสทำงานนี้ ซึ่งมักครอบคลุมสี่ถึงห้าอันดับขนาด เป็นข้อเท็จจริงที่กำหนดการออกแบบพลังงานของโหนด บทความนี้ ซึ่งเป็นบทแรกจากสามบทเกี่ยวกับพลังงานนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์สำหรับการตรวจวัดสิ่งแวดล้อมไร้สาย ผ่าดูระบบพลังงานพัลส์นี้ แสดงให้เห็นว่ากระแสเฉลี่ย กระแสพีคและการตกของแรงดันโต้ตอบกันอย่างไร และอธิบายว่าเหตุใดเซลล์ NiMH ชาร์จซ้ำได้หรือชุดแบตเตอรี่ขนาดเล็ก ซึ่งมักจับคู่กับอ่างเก็บประจุและตัวเก็บเกี่ยวพลังงาน จึงเป็นทางเลือกที่ตั้งใจและอ้างอิงได้ทุกครั้งที่โหนดได้รับการบำรุงรักษา ได้รับแสงอาทิตย์ช่วยเหลือ หรือต้องส่งพัลส์วิทยุสูงโดยไม่เกิดการทรุดตัวของแรงดันที่ทำให้เซลล์ปฐมภูมิขนาดเล็กใช้งานไม่ได้
โหนดสิ่งแวดล้อมที่สร้างบนสแต็กบริเวณกว้างกำลังต่ำ เช่น LoRaWAN หรือ NB-IoT เป็นเครื่องจักรสถานะจำกัดของสถานะพลังงาน ในการหลับลึก ไมโครคอนโทรลเลอร์ ฟรอนต์เอนด์เซ็นเซอร์และวิทยุถูกปิดประตูสัญญาณ และฮาร์ดแวร์ที่ออกแบบมาดีจะรักษาสถานะนี้ให้ต่ำกว่าประมาณ 100 ไมโครแอมป์ โดยการออกแบบระดับดีที่สุดในระดับเดียวกันจะต่ำกว่ามาก เมื่อตื่นตามเวลาหรือตามเหตุการณ์ การสุ่มตัวอย่างเซ็นเซอร์ดึงกระแสราว 0,5 ถึง 5 mA เป็นเวลาหลายสิบถึงหลายร้อยมิลลิวินาที ขณะที่ทรานสดิวเซอร์ แอมพลิฟายเออร์และตัวแปลงเข้าสู่ภาวะนิ่ง การบันทึกแฟลชเพิ่มพัลส์ 10 ถึง 20 mA อีกชุด พัลส์ส่ง LPWAN เป็นเหตุการณ์ชี้ขาด: เอกสารอ้างอิงการออกแบบกำลังต่ำที่ตีพิมพ์วางสเตจส่งไว้ที่ประมาณ 50 ถึง 150 mA ตลอดช่วงเวลาบนอากาศ ซึ่งเองก็ขึ้นอยู่กับแฟกเตอร์การแผ่และเพย์โหลด
พลังงานคืออินทิกรัลเวลาของกระแส ดังนั้นวัตถุการออกแบบที่ถูกต้องไม่ใช่กระแสใดกระแสหนึ่ง แต่คือวัฏจักรที่สมบูรณ์ โหนดที่หลับที่ 20 ไมโครแอมป์ สุ่มตัวอย่าง 200 ms ที่ 2 mA ทุกสิบนาที และส่ง 800 ms ที่ 100 mA ใช้งบประมาณคูลอมบ์ส่วนใหญ่อย่างท่วมท้นไปกับพัลส์วิทยุ แม้ว่าพัลส์จะกินเวลาเพียงเศษเสี้ยวเล็ก ๆ ของเวลาจริง การลดกระแสหลับจาก 20 เหลือ 5 ไมโครแอมป์คุ้มค่า แต่การลดพลังงานส่ง – เพย์โหลดสั้นลง แฟกเตอร์การแผ่ต่ำลงเมื่อระยะขอบลิงก์เอื้ออำนวย ลองใหม่น้อยลง – มักให้ผลมากกว่า นั่นคือเหตุผลที่การกำหนดค่าวิทยุและการเลือกแบตเตอรี่ไม่สามารถแยกจากกันได้
แบตเตอรี่ที่มีความจุพิกัดมากเพียงพออาจยังทำให้โหนดล้มเหลวได้หากแรงดันขั้วตกใต้จุดตัดของเรกูเลเตอร์หรือวิทยุในระหว่างพัลส์ส่ง เซลล์กระดุมขนาดเล็ก ยกตัวอย่างเช่น ถูกกำหนดขนาดไว้สำหรับบีคอน BLE และโหลดไมโครแอมป์ต่อเนื่อง และถูกตัดสินอย่างกว้างขวางว่าไม่เหมาะกับพัลส์ส่ง LoRa เพราะอิมพีแดนซ์ภายในไม่สามารถรักษาแรงดันไว้ต้านพัลส์ 100 mA ได้ คำแนะนำการออกแบบกลับชี้ไปที่เซลล์รูปแบบ AA ลิเธียมไธโอนิลคลอไรด์พร้อมตัวเก็บประจุพัลส์ ลิเธียมไอออน หรือเคมีชาร์จซ้ำได้ที่มีบัฟเฟอร์ ข้อกำหนดพัลส์เป็นปัญหาอิมพีแดนซ์ก่อน และเป็นปัญหาพลังงานเป็นลำดับที่สอง
เซลล์ NiMH แบบผนึกเป็นอุปกรณ์อิมพีแดนซ์ต่ำโดยธรรมชาติ คู่มือของผู้ผลิตรายงานอิมพีแดนซ์ภายในราว 25 ถึง 35 มิลลิโอห์มสำหรับ AA ที่ชาร์จแล้วที่ 1 kHz และไลน์อุตสาหกรรมมีจำหน่ายพร้อมกระแสคายประจุสูงถึงหลายแอมแปร์ ที่พัลส์ส่ง 100 mA อิมพีแดนซ์นั้นก่อให้เกิดการตกแบบโอห์มเล็กน้อยที่คาดเดาได้ แทนที่จะเป็นการตกลึกของเซลล์กระดุมปฐมภูมิอิมพีแดนซ์สูง – ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่วิทยุต้องการอย่างแม่นยำเพื่อรักษาแรงดันจ่ายของสเตจ PA ให้เหนือเกณฑ์ไฟตก ภาพเคลื่อนไหวชุดแรกแยกส่วนพลังงานของแต่ละสถานะ ชุดที่สองติดตามขอบเขตแรงดันที่ชุดแบตเตอรี่ต้องรักษาตลอดเหตุการณ์ส่ง
การประเมินอายุการใช้งานหมายถึงการคำนวณกระแสเฉลี่ยตามวัฏจักร แล้วจึงใช้ห่วงโซ่การลดทอนที่สมจริงสำหรับอุณหภูมิ ประสิทธิภาพพัลส์ การคายประจุเอง แรงดันตัด การลองใหม่ของเครือข่ายและการชรา – ด้วยวิธีเดียวกับที่แนะนำในเอกสารอายุแบตเตอรี่ LoRaWAN และ NB-IoT กระแสเฉลี่ยคือประจุต่อวัฏจักรหารด้วยคาบวัฏจักร ความจุที่ใช้ได้คือความจุป้ายชื่อของเซลล์ลดลงด้วยส่วนที่เข้าไม่ถึงเหนือจุดตัดของเรกูเลเตอร์ จากการสูญเสียที่อุณหภูมิต่ำและการเสื่อมสภาพตามปฏิทิน การเพิกเฉยต่อการลดทอนเหล่านี้ทำให้เกิดอายุการใช้งานบนสเปรดชีตที่การติดตั้งจริงไม่เคยไปถึง
สำหรับโหนดปฐมภูมิที่ชาร์จซ้ำไม่ได้ การคำนวณจบลงที่ช่วงบำรุงรักษาที่วัดเป็นปี นั่นคือเหตุผลที่ลิเธียมไธโอนิลคลอไรด์ครองการวัดแสกนสิบปีโดยไม่ต้องบำรุงรักษา สำหรับโหนดที่บำรุงรักษาหรือเก็บเกี่ยว การคำนวณกลับเป็นดุลพลังงานรายวัน: พลังงานที่เซลล์แสงอาทิตย์ขนาดเล็กหรือทรานสดิวเซอร์อื่นเก็บเกี่ยวต้องมากกว่าโหลดเฉลี่ยที่คำนวณตลอดช่วงความมืดของฤดูที่แย่ที่สุด NiMH เข้ามาที่นี่ในฐานะบัฟเฟอร์ชาร์จซ้ำได้ ทนต่อวัฏจักร ซึ่งถูกเติมซ้ำแล้วซ้ำอีกแทนที่จะหมดไปครั้งเดียว และสูตรคายประจุเองต่ำมีความจำเป็นต่อการรักษาดุลให้ตรงไปตรงมาในช่วงแสงสลัวยาวนาน
โหนดสิ่งแวดล้อมจำนวนมากไม่ใช่อุปกรณ์แบตเตอรี่ปฐมภูมิที่แท้จริงเลย: เซลล์แสงอาทิตย์ เครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกหรือตัวเก็บเกี่ยวอื่นป้อนวงจรรวมจัดการพลังงาน ซึ่งชาร์จองค์ประกอบการกักเก็บที่พาโหนดผ่านความมืดและจ่ายพัลส์วิทยุ ในสถาปัตยกรรมนั้น องค์ประกอบการกักเก็บต้องยอมรับการชาร์จตื้นไม่สม่ำเสมอจากแหล่งกำเนิดอ่อนแอ ทนต่อหลายร้อยถึงสองสามพันวัฏจักรตื้น และจ่ายกระแสสูงตามต้องการ นี่คือภาระหน้าที่ที่เซลล์หรือชุดแบตเตอรี่ NiMH แบบผนึก ด้วยความทนต่อการชาร์จเกินภายในขอบเขตการออกแบบและความสามารถพัลส์ รับมือได้อย่างสบาย
การปรับปรุงทั่วไปวางซูเปอร์คาปาซิเตอร์ขนาดเล็กหรืออ่างเซรามิกหลายชั้นขนานกับชุดแบตเตอรี่ NiMH: เซลล์จ่ายพลังงานวัฏจักรในอัตราต่อเนื่องต่ำ ขณะที่ตัวเก็บประจุจ่ายกระแสส่งทันที จำกัดการตกของแรงดันและลดความเค้น RMS บนเซลล์ ระบบไฮบริดนี้ช่วยให้นักออกแบบใช้ความจุ NiMH เพียงปานกลาง – กำหนดขนาดตามเป้าหมายการทำงานอิสระผ่านความมืดแทนที่จะตามกระแสพีค – ในขณะที่ยังคงตอบสนองพัลส์วิทยุ สถาปัตยกรรมนี้ยังล้มเหลวอย่างสวยงาม เพราะชุดแบตเตอรี่ที่หมดจะฟื้นตัวทันทีที่การเก็บเกี่ยวกลับมาดำเนินการ แทนที่จะต้องออกไปยังพื้นที่
เซลล์ลิเธียมไธโอนิลคลอไรด์ปฐมภูมิกำหนดเกณฑ์อายุการใช้งานโดยไม่มีผู้ดูแล: มันรวมความหนาแน่นพลังงานสูง การคายประจุเองต่ำกว่าประมาณหนึ่งเปอร์เซ็นต์ต่อปี และการทำงานจนถึงอุณหภูมิต่ำมาก นั่นคือเหตุผลที่มันเป็นค่าเริ่มต้นสำหรับโหนดมิเตอร์อัจฉริยะสิบปี NiMH ไม่ชนะการแข่งขันทศวรรษไร้การบำรุงรักษา และไม่ควรถูกกำหนดใช้งานในที่ที่โหนดจะไม่ถูกกลับไปเยี่ยมอีกเลยอย่างแท้จริง การคายประจุเองของมัน – แม้ในเกรดคายประจุเองต่ำที่เก็บประจุได้ประมาณสามในสี่หลังหนึ่งปี – และความหนาแน่นพลังงานที่ต่ำกว่าเป็นข้อจำกัดจริงที่งบประมาณพลังงานต้องสะท้อน
NiMH กลับชนะอีกกลุ่มหนึ่ง: โหนดที่บำรุงรักษาตามกำหนดการ โหนดที่อยู่ร่วมกับตัวเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์หรืออื่น โหนดที่กระแสพัลส์สูงจะบังคับให้ต้องใช้ไฮบริดปฐมภูมิ-บวก-ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีราคาแพงอยู่ดี สถานที่หนาวแต่ไม่สุดขั้วซึ่งเคมีชาร์จซ้ำได้ที่ชาร์จใต้จุดเยือกแข็งได้รับการยกย่อง และผลิตภัณฑ์ที่โปรไฟล์กฎระเบียบหรือลูกค้าต้องการเซลล์ที่ไม่ใช่ลิเธียม ขนส่งง่าย การตีกรอบทางเลือกว่าเป็นเครื่องมือที่เหมาะกับวัฏจักรงาน – แทนที่จะเป็นผู้ชนะสากล – คือสิ่งที่ทำให้ข้อกำหนดพลังงานอ้างอิงได้
การวิเคราะห์โปรไฟล์โหลดให้รายการตรวจสอบที่เป็นรูปธรรม: วัดหรือรับกระแสของทุกสถานะ ระยะเวลาและความถี่ของทุกพัลส์ส่ง พฤติกรรมการลองใหม่ในกรณีเลวร้ายที่สุด จุดตัดแรงดันจ่ายของวิทยุและเรกูเลเตอร์ ช่วงอุณหภูมิแวดล้อม และความเป็นจริงของการบำรุงรักษาหรือเก็บเกี่ยวของสถานที่ จากข้อมูลนำเข้าเหล่านั้น นักออกแบบคำนวณกระแสเฉลี่ย กระแสพีคและอ่างที่ต้องการ แล้วจึงเลือกเคมีที่อิมพีแดนซ์และพฤติกรรมวัฏจักรตรงกัน
สำหรับเส้นทาง NiMH บทความถัดไปแปลโปรไฟล์นี้เป็นการออกแบบชุดแบตเตอรี่ – รูปแบบและจำนวนเซลล์ ความจุเทียบกับเป้าหมายการทำงานอิสระในความมืด การกำหนดขนาดอ่างตัวเก็บประจุ การจัดการชาร์จจากตัวเก็บเกี่ยวที่อ่อนแอและไม่ต่อเนื่อง การเลือกคายประจุเองต่ำและเลย์เอาต์ความร้อน บทความที่สามครอบคลุมโปรแกรมรับรอง – สมรรถนะ IEC 61951-2 ความปลอดภัย IEC 62133-2 การทดสอบเปลือกหุ้มและสิ่งแวดล้อม ความสอดคล้องของอุปกรณ์วิทยุและการขนส่ง – ซึ่งเปลี่ยนต้นแบบที่เป็นไปได้ให้กลายเป็นโหนดที่สามารถนำไปติดตั้งภาคสนามได้อย่างมั่นใจ
Weijiang Power ออกแบบและผลิตเซลล์นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์แบบผนึกและชุดแบตเตอรี่อุตสาหกรรมที่จับคู่แล้วสำหรับอุปกรณ์ระยะไกล นอกตารางข่ายและเกี่ยวข้องกับความปลอดภัย และสนับสนุนคู่ค้า OEM ด้วยไฟล์สมรรถนะ IEC 61951-2 หลักฐานความปลอดภัย IEC 62133-2 การหาลักษณะโหลดพัลส์ การทดสอบช่วงอุณหภูมิกว้างและการตรวจสอบความถูกต้องร่วมที่ชาร์จ/ชุดแบตเตอรี่ บอกเราเกี่ยวกับวัฏจักรงาน กระแสพีค ขอบเขตอุณหภูมิ เป้าหมายการทำงานอิสระและมาตรฐานที่ผลิตภัณฑ์ของคุณต้องเป็นไปตาม และวิศวกรของเราจะกำหนดชุดเซลล์-และ-แบตเตอรี่ที่ปกป้องเวลาทำงาน ความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งาน ตรวจดูผลิตภัณฑ์ทั้งหมดได้บนหน้าผลิตภัณฑ์
