無線環境センサーノードは、ほぼ一生を何もせずに過ごし、その後バッテリーに一度にすべてを求めます。数分間はメモリ保持とリアルタイムクロックの動作に必要なマイクロアンペアレベルの電流しか消費せずに眠り、数百ミリ秒の間、目覚めてセンサーを励起し、アナログ-デジタル変換とマイクロコントローラのシーケンスを実行してから、送信段が50～150 mAを要求しうる低消費電力広域無線をキーオンします。休止電流とアクティブ電流の間のこの極端な比率は、多くの場合4～5桁に及び、ノードの電源設計を定義する決定的な事実です。無線環境センシング向けニッケル水素電源に関する3部作の最初となる本稿は、そのパルスエネルギー体制を解剖し、平均電流、ピーク電流、電圧垂下がどのように相互作用するかを示し、充電式NiMHセルまたは小型パック（多くの場合コンデンサ溜めとエネルギーハーベスターと併用）が、ノードが保守され、ソーラー支援を受け、あるいは小型一次電池を役立たずにする電圧崩壊なしに高い無線パルスを供給する必要があるあらゆる場所で、意図的で弁護可能な選択である理由を説明します。
LoRaWANやNB-IoTのような低消費電力広域スタック上に構築された環境ノードは、エネルギー状態の有限状態機械です。深いスリープではマイクロコントローラ、センサーフロントエンド、無線はゲートされ、よく設計されたハードウェアはこの状態を約100マイクロアンペア以下に保ち、クラス最高の設計でははるかに低くなります。タイマーまたはイベント駆動の起床時、トランスデューサ、アンプ、コンバータが安定する数十～数百ミリ秒の間、センサーのサンプリングは約0,5～5 mAを消費し、フラッシュロギングはさらに10～20 mAのバーストを加えます。LPWAN送信パルスが決定的なイベントです。公開された低消費電力設計リファレンスは、拡散率とペイロードに依存する空中時間の間、送信段を約50～150 mAとしています。
エネルギーは電流の時間積分であるため、正しい設計対象は単一の電流ではなく完全なサイクルです。20マイクロアンペアで眠り、10分ごとに2 mAで200 msサンプリングし、100 mAで800 ms送信するノードは、バーストが壁時計時間のごく一部しか占めないにもかかわらず、クーロン予算の圧倒的大部分を無線バーストで費やします。スリープ電流を20から5マイクロアンペアに減らすことは価値がありますが、リンクマージンが許すときペイロードの短縮、拡散率の低減、再試行の削減によって送信エネルギーを減らすことが通常より多くの効果をもたらし、それが無線設定と電池選択を分離できない理由です。
十分な公称容量を持つバッテリーでも、送信パルス中に端子電圧がレギュレータや無線のカットオフを下回って垂下すると、ノードを失敗させる可能性があります。例えば小型のコイン電池はBLEビーコンと連続マイクロアンペア負荷向けにサイズ設定されており、内部インピーダンスが100 mAパルスに抗して電圧を保持できないため、LoRa送信バーストには不適切と広く判断されています。設計ガイダンスは代わりにAAフォーマットのセル、パルスコンデンサ付きリチウム塩化チオニル、リチウムイオン、または緩衝された充電式化学種を指し示します。パルス要件は第一にインピーダンスの問題であり、第二にエネルギーの問題です。
密閉型NiMHセルは本質的に低インピーダンスデバイスです。メーカーのハンドブックは、充電されたAAの1 kHzでの内部インピーダンスを約25～35ミリオームと報告し、産業用ラインは数アンペアまでの放電電流で提供されています。100 mAの送信パルスでは、そのインピーダンスは高インピーダンス一次コイン電池の深い垂下ではなく、小さく予測可能なオーム降下を生じさせ、これはPA段の供給電圧をブラウンアウト閾値以上に保つために無線が必要とするまさにその挙動です。最初のアニメーション図は各状態のエネルギー寄与を分離し、2番目はパックが送信イベントを通じて保持しなければならない電圧包絡線を追跡します。
耐用年数の見積もりは、サイクル平均電流を計算し、温度、パルス効率、自己放電、カットオフ電圧、ネットワーク再試行、経年劣化について現実的なディレーティングの連鎖を適用することを意味し、LoRaWANとNB-IoTの電池寿命文献で推奨されるのと同じ方法です。平均電流はサイクル当たりの電荷をサイクル周期で割ったものであり、利用可能容量は、レギュレータのカットオフを上回って到達不能な分、低温での損失、カレンダー劣化によって、セルの銘板容量から減じられたものです。これらのディレーティングを無視すると、現場配備が決して到達しない表計算上の寿命が生まれます。
一次の非充電式ノードの場合、計算は年単位の保守間隔で終わり、それがリチウム塩化チオニルが10年間無保守の計測を支配する理由です。保守型またはハーベスト型ノードの場合、計算は代わりに毎日のエネルギー収支です。小型の光起電力セルまたは他のトランスデューサが収穫するエネルギーは、最悪シーズンの暗闇窓にわたって平均した平均負荷を上回らなければなりません。NiMHはここで、一度枯渇するのではなく繰り返し補充される充電式でサイクル耐性のある緩衝材として参入し、その低自己放電配合は長く薄暗い期間中、収支を正直に保つために不可欠です。
多くの環境ノードは、真の一次電池デバイスではまったくありません。光起電力セル、熱電発生器、または他のハーベスターが電源管理ICに給電し、ICはノードを暗闇を通じて運び無線パルスを供給する蓄電要素を充電します。そのアーキテクチャでは、蓄電要素は弱いソースからの浅く不規則な充電を受け入れ、数百～数千の浅いサイクルを生き延び、要求に応じて高い電流を供給しなければなりません。これらは、設計限界内での過充電耐性とパルス能力を備えた密閉型NiMHセルまたはパックが快適にこなす任務とまさに一致します。
一般的な改良では、NiMHパックと並列に小型スーパーキャパシタまたは多層セラミック溜めを配置します。セルは低い連続率でサイクルエネルギーを供給し、コンデンサは瞬時の送信電流を供給して、電圧垂下を制限しセルへのRMSストレスを減らします。このハイブリッドにより設計者は、ピーク電流ではなく暗闇を越える自律目標に合わせてサイズ設定した控えめなNiMH容量を使いながら、無線パルスを満たすことができます。このアーキテクチャはまた、現場訪問を必要とする代わりにハーベスティングが再開するとすぐに枯渇したパックが回復するため、穏やかに故障します。
一次リチウム塩化チオニルセルは、無人寿命のベンチマークを設定します。高いエネルギー密度、年約1%以下の自己放電、極低温までの動作を兼ね備えているため、10年スマートメーターノードのデフォルトです。NiMHは無保守の10年競争には勝てず、ノードが本当に二度と訪問されない場所に指定すべきではありません。1年後に約4分の3の電荷を保持する低自己放電グレードでも、その自己放電とより低いエネルギー密度は、エネルギー予算が反映しなければならない現実の制限です。
NiMHは代わりに別の一連のケースに勝ちます。スケジュールで保守されるノード、ソーラーまたは他のハーベスターと同所にあるノード、高いパルス電流がとにかく高価な一次プラス・スーパーキャパシタのハイブリッドを強いるノード、氷点下で充電できる充電式化学種が評価される寒冷だが極端でないサイト、そして非リチウムで輸送が簡単なセルを好む規制上または顧客プロファイルの製品。選択を普遍的な勝者ではなくデューティサイクルに対する正しい道具として枠組みすることが、電源仕様を弁護可能にするものです。
負荷プロファイル分析は具体的な仕様チェックリストをもたらします。各状態の電流、各送信バーストの持続時間と反復、最悪ケースの再試行動作、無線とレギュレータの供給電圧カットオフ、周囲温度範囲、サイトの保守またはハーベスティングの現実を測定または入手します。それらの入力から設計者は平均電流、ピーク電流、必要な溜めを計算し、インピーダンスとサイクル挙動が適合する化学種を選択します。
NiMHの経路では、次の論文がこのプロファイルをパック設計に翻訳します。セルのフォーマットと数、暗闇自律目標に対する容量、コンデンサ溜めのサイズ設定、弱く断続的なハーベスターからの充電管理、低自己放電の選択、熱レイアウト。第3の論文は、妥当なプロトタイプを現場に自信を持って配備できるノードに変える認定プログラム – IEC 61951-2性能、IEC 62133-2安全、外郭・環境試験、無線機器適合、輸送 – を扱います。
Weijiang Power は、遠隔、オフグリッド、安全関連機器向けの密閉型ニッケル水素セルと整合した産業用パックを設計・製造し、OEMパートナーにIEC 61951-2性能ファイル、IEC 62133-2安全証拠、パルス負荷特性評価、広温度試験、充電器/パックの共同検証を提供します。お客様のデューティサイクル、ピーク電流、温度包絡線、自律目標、製品が満たすべき規格をお知らせいただければ、当社のエンジニアがランタイム、信頼性、耐用年数を保護するセル・アンド・パックの組み合わせを指定します。製品ページで製品群をご確認ください。
