أفضل بطارية LiPo لأجهزة إنترنت الأشياء: كيفية اختيار الحل المناسب للطاقة

أفضل بطارية LiPo لأجهزة إنترنت الأشياء ليست بالضرورة البطارية ذات السعة الأعلى. يجب أن تتوافق البطارية المناسبة مع جهد تشغيل الجهاز، واستهلاك الاستعداد، وذروات الاتصال، والمساحة المتاحة، وطريقة الشحن، وعمر الخدمة المتوقع.

تتراوح منتجات إنترنت الأشياء من متتبعات أصول مدمجة وحساسات قابلة للارتداء إلى أقفال ذكية، وشاشات لاسلكية، وبوابات محمولة، ومحطات جمع البيانات الصناعية. على الرغم من أن هذه الأجهزة قد تستهلك طاقة قليلة في معظم الأوقات، إلا أن العديد منها يواجه ارتفاعات تيار قصيرة عند استيقاظ المعالج، أو بدء مستشعر، أو نقل وحدة لاسلكية للبيانات.

اختيار البطارية وفقا لهذه الظروف التشغيلية الحقيقية يساعد في منع وقت التشغيل القصير، والاتصالات غير المستقرة، وإعادة الضبط غير المتوقعة، والتورم، واستبدال البطارية المبكر.

لماذا تستخدم بطاريات LiPo في منتجات إنترنت الأشياء

بطاريات البوليمر الليثيوم، والتي تسمى عادة بطاريات LiPo، عادة ما تستخدم هيكل كيس خفيف الوزن. ميزتها الرئيسية هي مرونة التصميم. يمكن إنتاجها بأبعاد رقيقة أو ضيقة أو منحنية أو مخصصة للتطبيق، مما يجعلها مناسبة للإلكترونيات المدمجة حيث قد لا تتناسب الخلايا الأسطوانية.

عادة ما يكون لدى بطارية LiPo أحادية الخلية القياسية جهد اسمي 3.7 فولت، بينما بعض النسخ ذات الجهد العالي الجهد الاسمي 3.8 فولت أو 3.85 فولت. يجب أن يتطابق جهد شحن البطارية مع مواصفات الخلية ودائرة الشحن. استخدام الشاحن الخاطئ قد يقلل من عمر البطارية أو يخلق خطرا على السلامة.

توفر بطاريات LiPo أيضا كثافة طاقة عالية نسبيا ووزن منخفض. هذه الخصائص مفيدة في أجهزة إنترنت الأشياء المحمولة والقابلة للارتداء، حيث يمكن لكل جرام ومليمتر أن يؤثر على تصميم المنتج النهائي.

ابدأ بملف الطاقة الحقيقي للجهاز

تقضي العديد من منتجات إنترنت الأشياء معظم وقتها في وضع السكون. قد يبدو متوسط استهلاكهم منخفضا جدا، لكن التيار المتوسط وحده لا يوضح القصة كاملة.

على سبيل المثال، قد يسحب متتبع الخلوي تيارا صغيرا فقط أثناء الانتظار. عندما يتصل بشبكة ويرفع البيانات، قد يرتفع التيار بشكل حاد. وحدات الواي فاي، البلوتوث، LoRa، LTE-M، NB-IoT، وGNSS كلها لها خصائص نقل وبدء تشغيل مختلفة.

إذا لم تستطع البطارية دعم هذه الأحمال القصوى، فقد ينخفض الجهد مما يؤدي إلى إعادة تشغيل الجهاز أو فقدان الاتصال. يمكن أن يحدث هذا حتى عندما لا تزال البطارية تظهر السعة المتبقية.

قبل اختيار البطارية، يجب على المهندسين التأكد من:

• النوم وتيار الاستعداد
• متوسط التيار التشغيلي
• أقصى نبضة والتيار المستمر
• تردد الإرسال ومدة الإرسال
• متطلبات تسخين المستشعرات
• استهلاك المعالج والشاشة
• مدة التشغيل المطلوبة بين الشحنات

اختبار نموذج أولي عامل يوفر معلومات أكثر موثوقية من تقدير الاستهلاك فقط من أوراق بيانات المكونات.

اختر السعة بناء على مدة التشغيل والمساحة المتاحة

عادة ما يتم التعبير عن سعة البطارية بالميلي أمبير-ساعة. السعة الأكبر يمكن أن تطيل وقت التشغيل، لكنها تزيد أيضا من الحجم والوزن والتكلفة ووقت الشحن.

قد تستخدم أجهزة الاستشعار الصغيرة القابلة للارتداء بطاريات أقل من 500 مللي أمبير، بينما قد تتطلب أجهزة المراقبة المحمولة ومحطات الاتصال عدة آلاف من الساعات الطويلة الأمبير. لا توجد سعة عالمية هي الأفضل لكل منتج إنترنت الأشياء.

يجب أن يتضمن التصميم أيضا سعة احتياطية. نادرا ما توفر البطارية كامل طاقتها المسماة في جميع الحالات. انخفاض درجات الحرارة، والتيار العالي، والشيخوخة، وذروات الإرسال اللاسلكي، وحدود الشحن يمكن أن تقلل من الطاقة القابلة للاستخدام.

ترك احتياطي معقول يساعد الجهاز على الاستمرار في العمل مع تقدم عمر البطارية ويمنع التفريغ المتكرر في أعماقه، مما قد يقلل من عمر الخدمة.

تحقق من أبعاد البطارية قبل إنهاء الغلاف

بالنسبة لأجهزة إنترنت الأشياء المدمجة، غالبا ما يكون التكامل الفيزيائي أصعب من اختيار الجهد أو السعة.

عادة ما يتم سرد أبعاد بطارية LiPo على أنها السمك، والعرض، والطول. يجب على المهندسين أيضا مراعاة دائرة الحماية، والألسنة، والأسلاك، والموصل، واللاصق، ومواد التوسيد، والمساحة للتوسع الطبيعي أثناء الاستخدام.

يجب ألا تضغط الحاوية بإحكام على خلية الكيس. يجب إبعاد الحواف الحادة، والبراغي، ولوحات الدوائر الكهربائية، والأجزاء المتحركة عن سطح البطارية. يجب أن يكون للكابل مسار توجيه متحكم فيه حتى لا ينحني أو يسحب مرارا أثناء التجميع والصيانة.

يمكن تطوير بطارية LiPo مخصصة عندما لا يستطيع التخزين الجاهز استخدام المساحة المتاحة بكفاءة. ومع ذلك، يجب أن تصمم حجرة البطارية بحماية ميكانيكية مناسبة وتسامح تصنيع.

دائرة الحماية ومادة مراقبة درجة الحرارة

يجب أن تتضمن أفضل بطارية LiPo لأجهزة إنترنت الأشياء الحماية المناسبة للمنتج ونظام الشحن.

يمكن لدائرة الحماية أن تساعد في الحماية من الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والتيار الزائد، وحالات القصر الكهربائي. قد تتطلب بعض المشاريع أيضا جهاز NTC thermistor حتى يتمكن الجهاز أو الشاحن من مراقبة درجة حرارة البطارية.

يجب ألا يتم اختيار إعدادات الحماية بشكل مستقل عن التطبيق. قد تتوقف دائرة ذات حد تيار منخفض جدا أثناء الإرسال اللاسلكي. الحد المرتفع جدا قد لا يوفر الحماية المطلوبة.

يجب على موردي البطاريات الحصول على التيار العادي للجهاز، وتيار النبض، ومواصفات الشاحن، وتعريف الموصل، ونطاق درجة حرارة التشغيل قبل تأكيد حل الحماية.

اختر الموصل والأسلاك الصحيحة

يمكن أن يصبح الموصل الصغير مصدرا رئيسيا لفشل المجال إذا كانت تصنيف التيار أو قطبيته أو قوة القفل غير مناسبة.

يجب أن يتطابق الموصل تماما مع مقبس الجهاز، بما في ذلك الميل، نوع الهيكل، اتجاه الطرف، والقطبية الموجبة والسالبة. يجب أن يدعم مقياس السلك وطول الكابل التيار المتوقع دون التسبب في فقدان جهد غير ضروري.

بالنسبة للمنتجات المعرضة للحركة أو الاهتزاز، قد يكون موصل القفل أكثر موثوقية من تصميم ملاءمة الاحتكاك. قد تتطلب الأجهزة القابلة للارتداء والتي يتم التعامل معها بشكل متكرر أيضا تخفيف إضافي من الإجهاد عند منفذ سلك البطارية.

يجب دائما تأكيد القطبية من خلال الرسومات أو العينات المادية. الموصلات ذات المظهر المشابه لا تستخدم دائما نفس تسلسل الأسلاك.

فكر في طريقة الشحن وسلوك المستخدم

معظم أجهزة إنترنت الأشياء القابلة لإعادة الشحن يتم شحنها عبر USB-C أو Micro-USB أو جهات اتصال الإرساء أو نظام شحن لاسلكي. يجب تصميم دائرة الشحن الداخلية لتناسب كيمياء البطارية المختارة، وسعتها، وأقصى جهد شحن.

يمكن أن يقلل تيار الشحن الأعلى من وقت الشحن، لكنه قد يزيد من الحرارة ويضع ضغطا أكبر على البطارية. بالنسبة للحساسات أو الأجهزة غير المراقبة التي تبقى متصلة بالطاقة لفترات طويلة، يصبح التحكم في الشحن والمراقبة الحرارية أمرا خاصا الأهمية.

يجب على المصممين أيضا مراعاة كيف سيتصرف المنتج أثناء الشحن. بعض الأجهزة تستمر في نقل البيانات، أو تشغيل الشاشات، أو تشغيل الحساسات أثناء الشحن. يمكن أن يؤثر هذا الحمل الإضافي على وقت الشحن وتوليد الحرارة.

عندما لا يكون LiPo هو الخيار الأفضل

LiPo مناسب جدا لمنتجات إنترنت الأشياء القابلة لإعادة الشحن والمدمجة، لكنه ليس دائما الحل المثالي.

قد يكون المستشعر عن بعد المتوقع أن يعمل لسنوات عديدة دون شحن أكثر ملاءمة لبطارية ليثيوم أساسية. الأجهزة التي تتطلب عمر دورة طويل جدا، أو استقرار حراري أعلى، أو تشغيل متكرر عالي التيار قد تستفيد من كيمياء الليثيوم أو تنسيق خلوي آخر.

قد تتطلب المنتجات الخارجية والصناعية أيضا حاوية متينة، أو أداء منخفض الحرارة، أو بناء مقاوم للماء، أو بنية بطارية قابلة للاستبدال.

يجب أن يكون الاختيار الصحيح مبنيا على السيناريو الكامل للتشغيل وليس على شعبية نوع واحد من البطاريات.

خيارات بطاريات LiPo المخصصة لمشاريع إنترنت الأشياء

يمكن أن يشمل حل البطارية المخصص السعة المطلوبة، والأبعاد، وطول السلك، والموصل، ودائرة الحماية، والثرميستور، والملصق، والتغليف، ومواصفات الشحن.

لتطوير فعال، يجب أن يحصل مصنع البطارية على نوع الجهاز، ومساحة البطارية المتاحة، ووقت التشغيل المستهدف، وتيار التشغيل، وتيار النبض، وجهد الشحن، وتيار الشحن، والظروف البيئية، والطلب السنوي، ومتطلبات الشهادة.

يمكن للتعاون المبكر بين مصمم الجهاز ومهندس البطارية تقليل تغييرات الهيكل، وتحسين وقت التشغيل، وتجنب مشاكل التوافق أثناء الإنتاج الضخم.

استنتاج

أفضل بطارية LiPo لأجهزة إنترنت الأشياء هي التي تناسب النظام بالكامل. السعة مهمة، لكن توافق الجهد، وقدرة النبض-التيار، وإعدادات الحماية، والأبعاد، وتصميم الموصلات، والتحكم في الشحن، والظروف البيئية لا تقل أهمية.

من خلال اختبار ملف الطاقة الحقيقي وتأكيد المتطلبات الميكانيكية والكهربائية مبكرا، يمكن لمطوري إنترنت الأشياء إنشاء منتجات ذات وقت تشغيل أكثر توقعا، وشحن أكثر أمانا، وأعطال ميدانية أقل.

ما هو جهد بطارية LiPo المستخدمة عادة في أجهزة إنترنت الأشياء؟

تستخدم العديد من أجهزة إنترنت الأشياء المدمجة بطارية LiPo أحادية الخلية بجهد 3.7 فولت. تتوفر أيضا خلايا عالية الجهد 3.8 فولت أو 3.85 فولت، لكن يجب أن يدعم الشاحن ودائرة الجهاز جهد الشحن الأقصى الصحيح.

كيف أحسب سعة البطارية المطلوبة لجهاز إنترنت الأشياء؟

قس تيار الجهاز أثناء السكون، والاستشعار، والمعالجة، والإرسال اللاسلكي، ثم احسب الاستهلاك عبر دورة التشغيل الكاملة. أضف سعة احتياطية لتغيرات درجات الحرارة، والشيخوخة، وإعادة تشغيل النقل، والاستخدام الواقعي.

لماذا يعيد تشغيل جهاز إنترنت الأشياء أثناء الإرسال اللاسلكي؟

قد ترسم وحدة الاتصال نبضة تيار لا تستطيع البطارية أو الأسلاك أو دائرة الحماية دعمها. هذا قد يسبب انخفاضا مؤقتا في الجهد ويعيد ضبط المعالج حتى عندما لا تكون البطارية فارغة.

هل تحتاج كل بطارية LiPo من نوع IoT إلى دائرة حماية؟

يجب أن تستخدم معظم منتجات إنترنت الأشياء القابلة لإعادة الشحن حماية مناسبة من البطارية. يجب أن تتطابق وظائف الحماية المحددة والعتبات مع الخلية، والشاحن، والطلب التياري، وتصميم سلامة الجهاز.

هل يمكن تخصيص حجم وموصل بطارية إنترنت الأشياء LiPo؟

نعم. يمكن تخصيص أبعاد بطارية LiPo، السعة، الموصل، القطبية، طول الكابل، دائرة الحماية، الثيرمستور، والملصقات لتناسب الجهاز ومتطلبات الإنتاج.