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Jun 21, 2023

La diligencia a la hora de especificar las baterías reduce los costes operativos de los sensores inalámbricos remotos. Esta característica proviene del libro electrónico AUTOMATION 2023 Volumen 3: IIoT & Industry 4.0.

El Internet industrial de las cosas (IIoT) se está expandiendo a ubicaciones cada vez más remotas, con dispositivos inalámbricos remotos alimentados por baterías de litio que brindan conectividad digital a prácticamente todas las aplicaciones industriales, incluidas SCADA, control de procesos, robótica industrial, seguimiento de activos, sistemas de seguridad, monitoreo ambiental, M2M, IA y redes de malla inalámbricas, por nombrar algunas. Las baterías de litio de grado industrial permiten que los datos remotos se apliquen de manera más inteligente para mejorar la eficiencia operativa, mejorar el control de calidad, rastrear activos, promover una mayor sostenibilidad ambiental, optimizar las cadenas de suministro, mejorar la programas de mantenimiento predictivo de campo y más. El uso de baterías también elimina el gasto y la tediosa tarea de tener que cablear los dispositivos. Con numerosas químicas de baterías para elegir, el proceso de identificar la potencia ideal implica varios criterios, que incluyen:

Un dispositivo inalámbrico remoto es tan confiable como su batería. Para maximizar la vida operativa, los ingenieros de diseño deben considerar numerosos factores, como la cantidad de energía consumida durante el modo activo (incluido el tamaño, la duración y la frecuencia de los pulsos); la cantidad de energía consumida mientras el dispositivo está en modo de espera (la corriente base); la duración del almacenamiento (ya que la autodescarga normal durante el almacenamiento disminuye la capacidad); el impacto de los ambientes térmicos (incluido el almacenamiento y la operación en el campo); voltaje de corte del equipo (a medida que se agota la capacidad de la batería o en temperaturas extremas, el voltaje puede caer a un punto demasiado bajo para que el sensor funcione). Lo más importante es que el ingeniero de diseño debe considerar la tasa de autodescarga anual de la batería, que a menudo excede la cantidad de energía consumida mientras funciona el dispositivo.

Se encuentran disponibles numerosas químicas de baterías de litio primarias (no recargables) (Tabla 1). En un extremo del espectro se encuentran las baterías alcalinas económicas que entregan alta energía continua pero sufren de una tasa de autodescarga muy alta (lo que limita la vida útil de la batería), baja capacidad y densidad de energía (lo que agrega tamaño y volumen) y una incapacidad para operar. en temperaturas extremas debido al uso de componentes a base de agua. En el extremo opuesto del espectro se encuentran las químicas del litio de grado industrial. Como el metal no gaseoso más liviano, el litio presenta un potencial negativo intrínseco que excede a todos los demás metales, brindando la energía específica más alta (energía por unidad de peso), la densidad de energía más alta (energía por unidad de volumen) y voltaje más alto (OCV) que oscila entre 2,7 y 3,6 V. La química de las baterías de litio tampoco es acuosa y, por lo tanto, es menos probable que se congelen en temperaturas extremadamente frías. Las baterías de litio y cloruro de tionilo (LiSOCl2) de tipo bobina son abrumadoramente preferidas para implementaciones a largo plazo, ya que ofrecen la mayor capacidad y densidad de energía, soportan las temperaturas más extremas (-80°C a +125°C) y presentan una tasa de autodescarga anual tan baja como 0,7% por año para ciertas celdas, creando así el potencial de una vida útil de la batería de 40 años. Las baterías LiSOCl2 tipo bobina ofrecen los siguientes beneficios:

Los collares electrónicos habilitados para IA de Cattlewatch permiten a los ganaderos rastrear de forma remota sus rebaños de ganado proporcionando información de comportamiento y alertas utilizando una red LoRaWAN de potencia ultrabaja. Miembros selectos de la manada están equipados con comunicadores que funcionan con energía solar que forman una red mecánica inalámbrica que involucra a toda la manada. Las baterías recargables de iones de litio de la serie Tadiran TLI crean una solución liviana que puede soportar temperaturas extremas, ofrece hasta 20 años de vida útil y 5000 ciclos de recarga completos y genera los altos pulsos necesarios para alimentar las comunicaciones inalámbricas remotas.

Todas las baterías experimentan cierta cantidad de autodescarga ya que las reacciones químicas consumen pequeñas cantidades de corriente incluso cuando la celda no se utiliza o está desconectada. La autodescarga se puede minimizar controlando el efecto de pasivación, mediante el cual se forma una fina película de cloruro de litio (LiCl) en la superficie del ánodo de litio para separarlo del electrodo y reducir las reacciones químicas que provocan la autodescarga. Siempre que se coloca una carga en la celda, la batería experimenta una alta resistencia inicial y una caída temporal de voltaje hasta que la reacción de descarga comienza a disipar la capa de pasivación: un proceso que se repite cada vez que se aplica una carga. El efecto de pasivación puede variar según depende de la capacidad de descarga actual de la celda, la duración del almacenamiento, la temperatura de almacenamiento, la temperatura de descarga y las condiciones de descarga anteriores, ya que descargar parcialmente una celda y luego retirar la carga aumenta el nivel de pasivación con el tiempo. Si bien aprovechar el efecto de pasivación es esencial para reducir la autodescarga, demasiado puede resultar problemático si restringe demasiado el flujo de energía. Las células LiSOCl2 de tipo bobina varían significativamente en términos de su capacidad para aprovechar el efecto de pasivación. Por ejemplo, las baterías LiSOCl2 de tipo bobina de alta calidad pueden presentar una tasa de autodescarga tan baja como el 0,7% anual, conservando así casi el 70% de su capacidad original después de 40 años. Por el contrario, las celdas LiSOCl2 de menor calidad pueden tener una tasa de autodescarga de hasta el 3% anual, agotando casi el 30% de su capacidad disponible cada 10 años, lo que reduce en gran medida su vida útil.

Los dispositivos inalámbricos remotos de baja potencia requieren cada vez más pulsos periódicos de hasta 15 A para admitir comunicaciones inalámbricas bidireccionales. Las celdas LiSOCl2 de tipo bobina estándar no pueden generar estos pulsos elevados debido a su diseño de baja velocidad. Este obstáculo se puede superar fácilmente añadiendo un condensador de capa híbrida (HLC) patentado. Esta solución híbrida utiliza la celda LiSOCl2 tipo bobina estándar para entregar corriente de fondo nominal durante el modo de espera, mientras que el HLC entrega pulsos altos para soportar la transmisión de datos. Como beneficio adicional, el HLC experimenta una meseta de voltaje al final de su vida útil única que se puede interpretar para generar alertas de estado de batería baja. Los supercondensadores realizan una función similar con la electrónica de consumo, pero no son adecuados para aplicaciones industriales debido a serias limitaciones, que incluyen: energía de corta duración; cualidades de descarga lineal que no permiten el uso de toda la energía disponible; capacidad baja; baja densidad de energía; y tasas de autodescarga muy altas, de hasta el 60 % anual. Los supercondensadores conectados en serie también requieren el uso de costosos circuitos de equilibrio de celdas que añaden volumen y drenan corriente adicional para acortar aún más su vida operativa.

Para maximizar el retorno de la inversión (ROI), la solución ideal alimentada por batería debe durar toda la vida útil del dispositivo para reducir o eliminar la necesidad de costosos cambios de batería. Sin embargo, puede llevar años diferenciar una batería de mayor calidad de una celda de peor calidad, ya que las pérdidas de capacidad iniciales no son fácilmente mensurables. Además, los modelos teóricos y los algoritmos utilizados para calcular la esperanza de vida de la batería pueden ser muy poco fiables, ya que tienden a subestimar el efecto de pasivación, así como la exposición prolongada a temperaturas extremas. Se requiere una debida diligencia cuidadosa al especificar una batería de duración ultralarga. Se debe exigir a todos los proveedores potenciales que proporcionen resultados de pruebas completamente documentados y verificables junto con datos de rendimiento en el campo que involucren dispositivos similares que operen bajo cargas y condiciones ambientales similares. Hacer un esfuerzo adicional para comparar cuidadosamente las baterías podría generar importantes dividendos al aumentar la longevidad del producto y reducir el costo total de propiedad. Imágenes cortesía de Tadiran Baterías Esta característica proviene del libro electrónico AUTOMATION 2023 Volumen 3: IIoT & Industry 4.0.

Sol Jacobs es vicepresidente y director general de Tadiran Baterías. Tiene más de 30 años de experiencia en la alimentación de dispositivos remotos. Su formación académica incluye una licenciatura en ingeniería y un MBA.

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