遠(yuǎn)程無線設(shè)備越來越需要工業(yè)級鋰電池來為從系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)自動化 （SCADA） 到自動化過程控制、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用提供長期電力。

使用低功耗通信協(xié)議（WirelessHART、ZigBee、LoRa 等）和低功耗芯片組（包括最新的“始終在線”）的電池供電遠(yuǎn)程無線設(shè)備消耗少量電流（微安到毫安）可以持續(xù)更長時間“技術(shù)。然而，與電池自放電造成的能量損失相比，這些節(jié)能技術(shù)往往相形見絀。

特定應(yīng)用的要求決定了理想的電源

平均電流為微安的遠(yuǎn)程無線設(shè)備通常與工業(yè)級一次（不可充電）鋰電池配對。如果該設(shè)備消耗毫安級的平均電流（足以快速耗盡一次電池），那么它可能更適合與可充電鋰離子電池一起用于能量收集，以存儲收集到的能量。

在為遠(yuǎn)程無線應(yīng)用指定電池時，必須考慮許多因素，包括活動模式下消耗的電流量（包括脈沖的大小、持續(xù)時間和頻率）；在“待機(jī)”模式下消耗的能量（基極電流）；儲存時間（因為儲存期間的正常自放電會降低容量）；熱環(huán)境（包括存儲和現(xiàn)場操作）；設(shè)備截止電壓，隨著電池容量耗盡或在極端溫度下下降；以及電池的自放電率，可以超過每天實際使用所消耗的能量。

一次鋰電池的選擇

鋰電池具有比所有其他金屬更高的固有負(fù)電位。作為最輕的非氣態(tài)金屬，鋰提供了所有可用電池化學(xué)物質(zhì)中最高的比能量（每單位重量的能量）和能量密度（每單位體積的能量）。鋰電池在 2.7 至 3.6V 的正常工作電流電壓 （OCV） 范圍內(nèi)工作。鋰電池也是非水的，因此更能適應(yīng)極端寒冷。

可用的原電池化學(xué)成分包括二硫酸鐵 （LiFeS 2 ）、二氧化錳鋰 （LiMnO 2 ）、亞硫酰氯鋰 （LiSOCl 2 ）、堿性電池和鋰金屬氧化物（見表 1）。

表 1. 一次鋰電池的比較。

超長壽命應(yīng)用的首選化學(xué)物質(zhì)是亞硫酰氯鋰 （LiSOCl 2 ），它有兩種構(gòu)造方式：線軸型和螺旋纏繞。

線軸型 LiSOCl 2電池具有最高的容量和能量密度，以及極低的自放電（某些電池每年低于 1%），因此在某些低功率應(yīng)用中可實現(xiàn) 40 年的電池壽命。這些電池還具有最寬的溫度范圍（-80 °C 至 125 °C）和卓越的玻璃對金屬密封，有助于防止泄漏。

特殊改良的繞線管型 LiSOCl 2電池在冷鏈中用于監(jiān)測冷凍食品、藥品、組織樣本和移植器官在低至 -80 °C 的溫度下的運(yùn)輸。這些電池還可以處理極端高溫，包括跟蹤醫(yī)療設(shè)備位置和狀態(tài)的有源 RFID 標(biāo)簽，而無需在 125°C 高壓滅菌之前取出電池。

繞線管型LiSOCl 2電池的自放電率因制造方法和原材料質(zhì)量而異。優(yōu)質(zhì)的線軸型 LiSOCl 2電池的自放電率為每年 0.7%，40 年后仍可保持其原始容量的 70% 以上。相比之下，較低質(zhì)量的線軸型 LiSOCl 2電池每年的自放電率高達(dá) 3%，每 10 年損失 30% 的容量，無法實現(xiàn) 40 年的電池壽命。

更高的自放電率可能需要數(shù)年時間才能檢測到，而快速運(yùn)行的測試數(shù)據(jù)可能具有高度誤導(dǎo)性。需要長壽命電源的應(yīng)用，尤其是在極端環(huán)境中，需要進(jìn)行徹底的盡職調(diào)查以正確評估電池供應(yīng)商。

例如，AMR/AMI 公用事業(yè)計量應(yīng)用中使用的儀表發(fā)射器單元 （MTU） 需要長壽命電池，因為大規(guī)模電池故障可能會對計費系統(tǒng)造成高度破壞，并禁用遠(yuǎn)程啟動/關(guān)閉功能。對中斷和數(shù)據(jù)完整性受損的恐懼迫使公用事業(yè)公司投資數(shù)百萬美元過早更換 MTU 中的電池，以避免出現(xiàn)混亂中斷的風(fēng)險。

高脈沖為雙向無線通信供電

需要周期性的高脈沖來為先進(jìn)的雙向無線通信供電。標(biāo)準(zhǔn)線軸型 LiSOCl 2電池采用低倍率設(shè)計，不適合提供高脈沖，可以通過添加獲得專利的混合層電容器 （HLC） 來克服這一問題。標(biāo)準(zhǔn)線軸型 LiSOCl 2電池提供較低的日常背景電流，而 HLC 可存儲高達(dá) 15A 的脈沖。HLC 還具有獨特的壽命終止電壓平臺，可實現(xiàn)“低電量”狀態(tài)警報。

消費電子產(chǎn)品通常使用超級電容器以靜電方式而非化學(xué)方式存儲脈沖。由于固有的限制，超級電容器不適合工業(yè)應(yīng)用，包括：短時功率；不允許使用所有可用能量的線性放電質(zhì)量；容量低；低能量密度；和非常高的自放電（每年高達(dá) 60%）。串聯(lián)的超級電容器還需要電池平衡電路（這會增加成本和體積）并消耗額外的能量以進(jìn)一步加速自放電。

能量收集的利基不斷增長

能量收集非常適合消耗毫安電流的遠(yuǎn)程無線應(yīng)用，足以過早耗盡一次電池。光伏 （PV） 面板是最流行和經(jīng)過驗證的能量收集形式，在某些情況下會使用設(shè)備運(yùn)動、振動、溫差和環(huán)境 RF/EM 信號。

例如，小型太陽能 （PV） 面板與工業(yè)級鋰離子電池相結(jié)合，以跟蹤無動力資產(chǎn)。太陽能/鋰離子混合系統(tǒng)還為停車收費表收費系統(tǒng)提供動力，并部署了支持人工智能的傳感器來識別開放的停車位。

如果設(shè)備易于使用，消費級可充電鋰離子電池通常就足夠了，最長使用壽命為 5 年，可充電 500 次，溫度范圍適中（0 - 40°C），并且沒有高脈沖要求（見表 2）。

表 2.消費鋰離子電池與工業(yè)鋰離子電池的比較。

相比之下，工業(yè)級鋰離子電池可以運(yùn)行長達(dá) 20 年和 5，000 次完整充電循環(huán)，具有更大的溫度范圍（-40° 至 85°C），并且能夠為雙向無線通信提供高脈沖。

工業(yè)級電池可以降低部署在難以訪問的位置和極端環(huán)境中的遠(yuǎn)程無線設(shè)備的擁有成本。在指定工業(yè)級電池時，請進(jìn)行徹底的盡職調(diào)查，以確保電池供電解決方案的使用壽命與設(shè)備一樣長，從而最大限度地降低擁有成本。應(yīng)要求所有接受評估的電池制造商提供記錄在案的長期測試結(jié)果、等效應(yīng)用的現(xiàn)場性能數(shù)據(jù)以及多個客戶參考資料。

審核編輯：郭婷