长寿命远程无线传感器的关键

远程无线设备越来越需要工业级锂电池来为从系统控制和数据自动化 （SCADA） 到自动化过程控制、人工智能和机器学习等应用提供长期电力。

使用低功耗通信协议（WirelessHART、ZigBee、LoRa 等）和低功耗芯片组（包括最新的“始终在线”）的电池供电远程无线设备可消耗少量电流（微安到毫安） “技术。然而，与电池自放电造成的能量损失相比，这些节能技术往往相形见绌。

特定应用的要求决定了理想的电源

平均电流为微安的远程无线设备通常与工业级一次（不可充电）锂电池配对。如果该设备消耗毫安级的平均电流（足以快速耗尽一次电池），那么它可能更适合与可充电锂离子电池一起用于能量收集，以存储收集到的能量。

在为远程无线应用指定电池时，必须考虑许多因素，包括活动模式下消耗的电流量（包括脉冲的大小、持续时间和频率）；在“待机”模式下消耗的能量（基极电流）；储存时间（因为储存期间的正常自放电会降低容量）；热环境（包括存储和现场操作）；设备截止电压，随着电池容量耗尽或在极端温度下下降；以及电池的自放电率，可以超过每天实际使用所消耗的能量。

一次锂电池的选择

锂电池具有比所有其他金属更高的固有负电位。作为最轻的非气态金属，锂提供了所有可用电池化学物质中最高的比能量（每单位重量的能量）和能量密度（每单位体积的能量）。锂电池在 2.7 至 3.6V 的正常工作电流电压 （OCV） 范围内工作。锂电池也是非水的，因此更能适应极端寒冷。

可用的原电池化学成分包括二硫酸铁 （LiFeS 2 ）、二氧化锰锂 （LiMnO 2 ）、亚硫酰氯锂 （LiSOCl 2 ）、碱性电池和锂金属氧化物（见表 1）。

表 1. 一次锂电池的比较。

超长寿命应用的首选化学物质是亚硫酰氯锂 （LiSOCl 2 ），它有两种构造方式：线轴型和螺旋缠绕。

线轴型 LiSOCl 2电池具有最高的容量和能量密度，以及极低的自放电（某些电池每年低于 1%），因此在某些低功率应用中可实现 40 年的电池寿命。这些电池还具有最宽的温度范围（-80 °C 至 125 °C）和卓越的玻璃对金属密封，有助于防止泄漏。

特殊改良的绕线管型 LiSOCl 2电池在冷链中用于监测冷冻食品、药品、组织样本和移植器官在低至 -80 °C 的温度下的运输。这些电池还可以处理极端高温，包括跟踪医疗设备位置和状态的有源 RFID 标签，而无需在 125°C 高压灭菌之前取出电池。

绕线管型LiSOCl 2电池的自放电率因制造方法和原材料质量而异。优质的线轴型 LiSOCl 2电池的自放电率为每年 0.7%，40 年后仍可保持其原始容量的 70% 以上。相比之下，较低质量的线轴型 LiSOCl 2电池每年的自放电率高达 3%，每 10 年损失 30% 的容量，无法实现 40 年的电池寿命。

更高的自放电率可能需要数年时间才能检测到，而快速运行的测试数据可能具有高度误导性。需要长寿命电源的应用，尤其是在极端环境中，需要进行彻底的尽职调查以正确评估电池供应商。

例如，AMR/AMI 公用事业计量应用中使用的仪表发射器单元 （MTU） 需要长寿命电池，因为大规模电池故障可能会对计费系统造成极大破坏，并禁用远程启动/关闭功能。对中断和数据完整性受损的恐惧迫使公用事业公司投资数百万美元过早更换 MTU 中的电池，以避免出现混乱中断的风险。

高脉冲为双向无线通信供电

需要周期性的高脉冲来为先进的双向无线通信供电。标准线轴型 LiSOCl 2电池采用低倍率设计，不适合提供高脉冲，可以通过添加获得专利的混合层电容器 （HLC） 来克服这一问题。标准线轴型 LiSOCl 2电池提供较低的日常背景电流，而 HLC 可存储高达 15A 的脉冲。HLC 还具有独特的寿命终止电压平台，可实现“低电量”状态警报。

消费电子产品通常使用超级电容器以静电方式而非化学方式存储脉冲。由于固有的限制，超级电容器不适合工业应用，包括：短时功率；不允许使用所有可用能量的线性放电质量；容量低；低能量密度；和非常高的自放电（每年高达 60%）。串联的超级电容器还需要电池平衡电路（这会增加成本和体积）并消耗额外的能量以进一步加速自放电。

能量收集的利基不断增长

能量收集非常适合消耗毫安电流的远程无线应用，足以过早耗尽一次电池。光伏 （PV） 面板是最流行和经过验证的能量收集形式，在某些情况下会使用设备运动、振动、温差和环境 RF/EM 信号。

例如，小型太阳能 （PV） 面板与工业级锂离子电池相结合，以跟踪无动力资产。太阳能/锂离子混合系统还为停车收费表收费系统提供动力，并部署了支持人工智能的传感器来识别开放的停车位。

如果设备易于使用，消费级可充电锂离子电池通常就足够了，最长使用寿命为 5 年，可充电 500 次，温度范围适中（0 - 40°C），并且没有高脉冲要求（见表 2）。

表 2.消费锂离子电池与工业锂离子电池的比较。

相比之下，工业级锂离子电池可以运行长达 20 年和 5，000 次完整充电循环，具有更大的温度范围（-40° 至 85°C），并且能够为双向无线通信提供高脉冲。

工业级电池可以降低部署在难以访问的位置和极端环境中的远程无线设备的拥有成本。在指定工业级电池时，请进行彻底的尽职调查，以确保电池供电解决方案的使用寿命与设备一样长，从而最大限度地降低拥有成本。应要求所有接受评估的电池制造商提供记录在案的长期测试结果、等效应用的现场性能数据以及多个客户参考资料。

审核编辑：郭婷