نقش تعیین‌کننده باتری‌ها در اینترنت اشیای صنعتی

این مطلب یکی از مجموعه مقالات پرونده ویژه «اینترنت اشیا صنعتی» شماره 194 ماهنامه شبکه است. علاقه‌مندان می‌توانند کل این پرونده ویژه را از روی سایت شبکه دانلود کنند. 

نحوه استفاده است که انتخاب باتری را تعیین می‎کند. برای مثال، دستگاهی که به‌راحتی قابل دسترس است و در یک محدوده دمای متعادل کار می‎کند، به‌راحتی می‎تواند از باتری‎های مصرفی رایج استفاده کند. اما هزینه اولیه کم درنهایت به قیمت طول عمر پایین باتری تمام شده و باز هم برای مصرف‌کننده (به دلیل نیاز به تعویض چند بار باتری و هزینه‎های جانبی دسترسی به دستگاه) پرهزینه خواهد شد. به بیان کلی، هرچه دسترسی به مورد کاربردی دشوارتر باشد، نیاز به استفاده از یک باتری باکیفیت صنعتی بیشتر می‎شود.
لیتیوم به‌عنوان سبک‌ترین فلز غیرگازی، بیشترین میزان انرژی (انرژی در هر واحد وزن) را نسبت به سایر انواع دیگر باتری ارائه می‎کند. سلول‎های لیتیوم از جریان ولتاژی بین 2.7 تا 3.6 ولت برخوردار هستند. فعل و انفعالات شیمیایی لیتیوم نیز غیرآبی است و نبود آب به سلول‎ها اجازه می‎دهد در محدوده دمای 55- تا 125 درجه سانتی‎گراد فعالیت کنند.
در حال حاضر، دستگاه‎های بی‎سیمی‎ که مصرف روزانه آن‌ها پایین است عمدتاً از باتری‎های بوبین‌دار لیتیوم تونیل کلوراید (LiSOCl2) که کیفیت عملکرد بالایی شامل بالاترین تراکم انرژی، بالاترین ظرفیت، گسترده‎ترین محدوده دما و کمترین نرخ تخلیه شارژ سالانه را دارد استفاده می‎کنند. این سطح از کیفیت عملکرد امکان ساخت منابع تأمین انرژی کوچکی را فراهم می‎کند که به‌میزان بسیار طولانی عمر می‎کنند. هرکدام از این سلول‎ها می‎توانند تا 40 سال عمر کنند. سلول‎های استاندارد بوبین‌دار LiSOCl2 به گونه‎ای طراحی نشده‎اند که بتوانند پالس‎های بالا را ارسال کنند، به همین دلیل باید آن‌ها را با خازن لایه ترکیبی (HLC) ادغام کرد تا بتوان در کاربردهای پالس بالا از آن‌ها استفاده کرد. دستگاه‎های الکترونیک مصرفی برای ذخیره انرژی پالس‎های بالا در میدان‌های الکترواستاتیک اغلب به ابرخازن‎ها وابسته هستند. اما ابرخازن‎ها به‌دلیل محدودیت‎های ذاتی که شامل انرژی کوتاه‌مدت، ظرفیت کم، تراکم انرژی کم و تخلیه شارژ بالا می‎شود، برای اغلب مصارف صنعتی مناسب نیستند. ابرخازن‎های سری شده نیز به مدارهای توازن سلولی نیاز دارند که باعث کاهش راندمان کلی می‎شود.

مطلب پیشنهادی

اینترنت اشیا یا اینترنت اشباح ...

باتری‎های LiSOCl2 برای اولین بار در سال 1980 در واحدهای فرستنده سنجش ولتاژ در مصارف آب و گاز به کار گرفته شدند. در فرآیند جایگزینی با دستگاه‎های تأمین‌کننده جدیدتر، این دستگاه‎های RFID پیش‌گام مورد آزمايش قرار گرفتند و مشخص شد هنوز بعد از چند سال استفاده ظرفیت ذخیره انرژی بالایی دارند. اما چنین طول عمر بالایی نیز نمی‎تواند تضمين‌کننده باشد. کیفیت پایین باتری‎های LiSOCl2 می‎تواند نرخ تخریب شارژ خود به خود سالانه را دو تا سه برابر بیشتر از نمونه‎های باکیفیت‎تر کند.

 بسیاری از سلول‎ها با طول عمر متفاوت به‌طور هم‌زمان برای چند دهه در آزمایشگاه مورد آزمايش قرار می‎گیرند تا مشخص شود آیا می‎توانند تحت شرایط مختلف همچنان به کار خود ادامه دهند

یک باتری LiSOCl2 بوبین‌دار به گونه‎ای ساخته شده است که کیفیت مواد اولیه آن می‎تواند به‌طرز چشمگير روی نرخ تخلیه خود به خود انرژی تأثیر بگذارد. برای نمونه، یک سلول بسیار باکیفیت LiSOCl2 بوبین‌دار می‎تواند نرخ تخلیه شارژ خود به خود انرژی 0.7 درصدی داشته باشد که بعد از 40 سال 70 درصد ظرفیت اصلی آن حفظ می‎شود. در مقابل، یک سلول LiSOCl2 بوبین‌دار با کیفیت کمتر می‎تواند نرخ 3 درصدی تخلیه شارژ خود به خود انرژی داشته باشد که هر 10 سال 30 درصد ظرفیت خود را از دست می‎دهد که عملاً بعد از 40 سال این باتری غیرقابل استفاده خواهد بود. این اختلاف عملکرد طی بیش از یک دهه قابل مشاهده نیست؛ بنابراین، برای ارزیابی برندهای مختلف باید تلاش زیادی کرد. وقتی قرار باشد برای استقرار طولانی‌مدت یک باتری در محیط‎های خشن برنامه‎ریزی شود، مهندسان باید بتوانند میزان کاهش ظرفیت باتری موجود را در طی گذر زمان بر پایه عوامل متعدد پیش‌بینی کنند. این عوامل شامل نرخ تخریب شارژ خود به خود سالانه، کاهش ولتاژ در زمان کشیدن بار و درجه حرارت است. 

مطلب پیشنهادی

ویدیو: سونامی اینترنت اشیا - مصاحبه با رئیس کمیسیون اینترنت اشیا و داده‌های عظیم

باتری‎ها پیش از مصرف باید آزمایش‎های دقیقی را پشت سر بگذارند
به‌جای اتکا به داده‎های نظری، محاسبات باید بر پایه تاریخچه داده‎های آزمايش‌های واقعی باشد و درنهایت به‌وسیله نتایج واقعی به دست آمده در استفاده عملی تأیید شود. چنین آزمايش‌های دشوار و بلندمدتی باید از چند راه مختلف اجرا شود. در ادامه یک بررسی مختصر از چند نمونه از روش‎های آزمایشی توصیه شده را بررسی خواهیم کرد.

روش اول، آزمون واقعی بلندمدت: بسیاری از سلول‎ها با طول عمر متفاوت به‌طور هم‌زمان برای چند دهه در آزمایشگاه مورد آزمايش قرار می‎گیرند تا مشخص شود آیا می‎توانند تحت شرایط مختلف همچنان به کار خود ادامه دهند.

روش دوم، آزمون سریع: روشی به‌نام آزمون Arrhenius (سرعت واکنش به افزایش دو برابری در هر 10 درجه سانتی‌گراد دما) مدت زمان مورد نیاز برای اجرای آزمايش‎های به کار گرفته شده در کاربردهای بلندمدت را کاهش می‎دهد. آزمون Arrhenius باید در دمای 72 درجه سانتی‌گراد انجام شود. لازم است نتایج این آزمايش‌ها به‌طور قابل قبولی تفسیر شود. نه‌تنها مهم است یک سلول در دمای 72 درجه نگهداری و بعد آزمایش انجام شود، بلکه در زمان کاربردهای واقعی نیز سلول در دمای 72 درجه‎ باشد. مثال زیر اهمیت آزمون سریع را بیشتر آشکار می‎کند. سلول‎های نمونه برای یک ماه در دمای 72 درجه سانتی‌گراد آزمايش می‎شوند تا هر باتری بعد از یک ماه به‌ طور کامل تخلیه شود. آزمايش مشابهی برای دو ماه با نرخ مصرف انرژی که باتری را بعد از دو ماه تخلیه می‎کند نیز انجام می‎شود. باقی سلول‎ها نیز با روش مشابه در بازه‎های زمانی سه، چهار، پنج و شش ماهه، یک سال و 90 ماه آزمايش می‎شوند که معادل صدها سال کارکرد معمولی است. بعد از یک یا دو ماه آزمايش، سلول‎های LiSOCl2 که برای استفاده چند ده ساله طراحی شده بودند ممکن است به‌طور فزاینده ظرفیت خود را از دست بدهند. دلیل آن این است که آن‌ها برای تخلیه با چنین سرعت زیادی در نظر گرفته نشده‎اند. باتری‎های لیتیوم را نیز می‎توان به گونه‎ای طراحی کرد که یا نرخ استفاده بالایی داشته باشند یا نرخ تخریب خود به خود آن‌ها پایین باشد، اما هر دو با یکدیگر امکان‎پذیر نیست. سلول‎هایی که برای مدت زمان کارکرد کوتاه‎تر طراحی شده‎اند، ظرفیت بالاتری ارائه می‎کنند. اما در آزمايش‌های دیگر نرخ تخریب خود به خود آن‌ها بالاتر خواهد بود.
با آغاز سه ماه آزمايش در 72 درجه سانتی‌گراد (برابر با 8 سال کار در دمای 22 درجه سانتی‌گراد) نرخ تخریب خود به خود در مقايسه با روزهای اول به‌وضوح بالاتر می‎رود. هرچه کیفیت سلول‎ها بیشتر باشد، ظرفیت بالاتری را نگهداری می‎کند که بیان‌کننده نرخ تخریب شارژ خود به خود کمتر است. هرچه اين آزمايش بیشتر ادامه پیدا می‎کند، تفاوت بین سلول‎ها بیشتر مشخص خواهد شد. درنهایت به‌وضوح مشخص است که باتری‎های سطح بالای صنعتی کمتر ظرفیت خود را از دست می‎دهند. سلول‎هایی که کیفیت بهتری دارند می‎توانند در دمای 72 درجه برای 90 ماه کار کنند (که برابر با صدها سال استفاده معمولی است).

مطلب پیشنهادی

ویدیو: سونامی اینترنت اشیا - مصاحبه با رئیس کمیسیون اینترنت اشیا و داده‌های عظیم

روش سوم، آزمايش حرارت‌سنجی: حرارت‌سنج با اندازه‌گیری هر گونه افزایش دمای آب اطراف باتری میزان تخلیه شارژ خود به خود باتری را اندازه می‎گیرد. این انرژی گرمایشی به‌دلیل تخلیه شارژ خود به خود باتری تولید می‎شود. برای دستیابی به نتایج قابل اطمینان باید قبل از انجام این آزمایش باتری را به‌مدت یک سال کاملاً تثبیت کرد.

روش چهارم، نتایج میدانی: علاوه بر آزمون‎های آزمایشگاهی که میزان تخریب شارژ خود به خود سالانه را محاسبه می‎کند، نتایج آزمايش‌های میدانی نیز صحت آن را بیشتر تأیید می‎کند. برای هر محصولی توسعه‌دهندگان باید از باتری‎های نمونه استفاده کنند تا مطمئن شوند میزان ظرفیت باقی‌مانده در این باتری با میزان پیش‌بینی شده برای مدل‎های آزمایشگاهی مطابقت داشته باشد. یکی دیگر از روش‎های اندازه‌گیری وضعیت عملکرد باتری در بلندمدت شمارش تعداد خطاهای زمانی در بازه‎های زمانی طولانی است.

روش پنجم، تعیین عیار لیتیوم: در موارد خاصی که تاریخچه داده‎ها در دسترس نیست (مثل دمای شدید، پالس‎های بالای طولانی‌مدت و کاربردهای کوتاه‌مدت) سلول‎ها تحت شرایط آزمایشگاهی خاص برای بررسی میزان دقیق لیتیوم باقی‌مانده در آنود آزمايش می‎شوند. برای مثال، بعد از اینکه یک باتری برای چند ماه در دمای بالا و جریان‎های مختلف تخلیه آزمايش شد، برای حل کردن میزان لیتیوم باقی‌مانده از هم باز می‎شود. با آزمايش میزان عیار می‎توان تعیین کرد نرخ تخلیه شارژ خود به خود در چه اندازه‎ای بوده است. هرچه میزان تخلیه شارژ خود به خود بیشتر باشد، لیتیوم کمتری در سلول باقی می‎ماند.

روش ششم، آزمون رقابتی: برای مقايسه باتری‎ها با یکدیگر باید آزمايش‌های یکسانی بین آن‌ها انجام شود. قبل از انجام آن‌ها باید اطمینان حاصل کرد تمام سلول‎ها برای مدت یک سال مورد استفاده قرار گرفته‎اند تا هم بتوان مطمئن شد که به‌خوبی تثبیت شده‎اند و هم بتوان اثرات ناخالصی را در الکترولیت نشان داد.

آزمون‎های بلندمدت اطلاعات تجربی را در اختیار محققان قرار می‎دهند که نشان می‎دهد می‎توان یک باتری را برای مدت 40 سال برای کاربردهای اینترنت اشیا مورد استفاده قرار داد

نمونه‎های واقعی 
آزمون‎های بلندمدت اطلاعات تجربی را در اختیار محققان قرار می‎دهند که نشان می‎دهد می‎توان یک باتری را برای مدت 40 سال برای کاربردهای اینترنت اشیا مورد استفاده قرار داد. در ادامه چند مثال عملی از میزان اهمیت طول عمر بالای باتری را بررسی خواهیم کرد.
دستگاه‎های پیشرفته سنجش AMR/AMI که در صنایع آب و گاز مورد استفاده قرار می‎گرفتند حالا می‎توانند میزان نشت و نحوه مصرف مشتريان را ردگیری و از راه دور اجازه قطع و وصل مجدد را صادر کنند. این دستگاه‎های بی‎سیم در اصل بیشتر در حالت مصرف کم و وضعیت آماده به کار قرار دارند و هر از گاهی برای بازیابی و انتقال داده‎ها پالس‎های بالا را در مدت زمان کوتاه ارسال می‎کنند. یک باتری استاندارد LiSOCl2 بوبین‌دار انرژی زمان آماده به کار این دستگاه‎ها را تأمین می‎کند و HLC وظیفه تأمین پالس‎هایی تا 15 آمپر را بر عهده دارد. باتری‎هایی که طول عمر بالایی دارند کمتر به نگهداری و تعویض نیاز پیدا می‎کنند و به‌میزان قابل توجهی ریسک اختلال در فرآیند فعالیت دستگاه‎های نظارتی اینترنت اشیا در اثر نارسایی باتری را کم می‎کنند.
حسگرهای یکپارچه‌سازی سازه میزان فشار، شیب، گرایش، ارتعاش، جابه‌جایی، تغییر شکل، دما و رطوبت را در موارد کاربردی همچون استفاده در پل‎ها، تونل‎ها، ساختمان‎های بزرگ تجاری، برج‎ها و خطوط لوله اندازه‌گیری می‎کنند. (شکل1) 

مطلب پیشنهادی

راهکارهای بهینه جمع‎آوری داده‎ها از گجت‎های هوشمند

این 15 ابزار اینترنت اشیای متصل به رزبری پای جادو می‎کنند

شکل 1- حسگرهای Resensys اطلاعات ساختاری ضروری از قبیل فشار، ترک، ارتعاش، شیب، گرایش، نم و رطوبت را به‌طور لحظه‎ای تحت نظر دارند. وقتی این حسگرها روی یک پل یا سایر عناصر زیرساختی نصب می‎شوند، داده را به‌طور بی‎سیم و با استفاده از انرژی تأمین شده توسط یک باتری LiSOCl2 بوبین‌دار Tadiran که از قابلیت نرخ تخریب شارژ خود به خود 0.7% برخوردار است منتقل می‎کند. به همین دلیل می‎توان یک سرویس‌دهی طولانی‌مدت را از آن انتظار داشت.

حسگرهای یکپارچه‌سازی سازه SenSpot محصول شرکت Resensys که برای فعالیت خود در هر دقیقه تنها چند میکروآمپر انرژی مصرف می‎کنند، از باتری استاندارد½ AA LiSOCl2 استفاده می‎کنند. این تجهيزات برای به حداقل رساندن میزان مصرف انرژی از پروتکل‎های ارتباطی کم‌مصرف بهره می‌برند. Resensys یک نوع باتری LiSOCl2 بوبین‌دار انتخاب کرده است که نرخ تخلیه شارژ خود به خود آن 0.7% در سال است و می‎تواند خدمات طولانی‌مدت را تضمين کند. هزینه دسترسی به یک حسگر نصب شده در آستانه یک پل بسیار بیشتر از هزینه خود حسگر است؛ بنابراین، بسیار ضروری بود که Resensys بتواند یک انرژی طولانی‌مدت و بدون نیاز به نگهداری که به‌خوبی در هر شرایطی کار می‎کند را فراهم کند.
بعضی اوقات پرسش‎هایی درباره تفاوت بین سلول‎های لیتیوم-یون قابل شارژ مصرفی ارزان‌قیمت و نسخه‎های صنعتی پیچیده‎تر مطرح می‎شود. باتری‎های مصرفی لیتیوم-یون طول عمری کمتر از 5 سال با چرخه 500 بار شارژ مجدد دارند. فعالیت آن‌ها نیز در محدوده دمای بین 0 تا 40 درجه سانتی‌گراد است. برای موارد استفاده از راه دور یا مکان‎های غیرقابل دسترس و دماهای بالا از باتری‎های لیتیوم-یون قابل شارژ صنعتی که طول عمری 20 ساله با چرخه شارژ مجدد 5000 بار را ارائه می‎کنند استفاده می‎شود. این نوع از باتری می‎تواند در دماهای نامتعارف بین 40- تا 85 درجه سانتی‌گراد کار و پالس‎های بالایی (5 آمپر برای یک باتری قلمی‎) را ارسال کند. سلول‎های لیتیوم-یون صنعتی با ساختار غیرقابل نفوذ مهر و موم شده‎اند، در حالی که باتری‎های قابل شارژ مصرفی معمولی از مهر و موم معمولی قابل نشت استفاده می‎کنند.
برای مثال، پارکومترهای انرژی خورشیدی IPS برای برقراری ارتباط بی‎سیم با اینترنت اشیا صنعتی از باتری‎های لیتیوم-یون قابل شارژ صنعتی استفاده می‎کند. آن‌ها با از بین بردن نیاز به سیم‌کشی در سطح پیاده‌روهای شهری میلیون‎ها دلار در هزینه‎های نصب ابتدایی صرفه‌جویی کرده‎اند. این پارکومترهای انرژی خورشیدی مدرن و پیشرفته هستند و می‎توانند از چند گزینه سیستم پرداخت پشتیبانی کنند، به‌طور آنی به داده‎ها دسترسی داشته باشند، با حسگرهای تشخیص وسایل نقلیه یکپارچه شوند و از ماژول‎های راهنمایی کاربر پشتیبانی کنند. (شکل 2) 

مطلب پیشنهادی

توسعه سیستم‌های بهینه برای افزایش تعداد برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا

کیت‌های سخت‌افزاری/‌ نرم‌افزاری ویژه اینترنت اشیا در راهند

شکل 2- پارکومترهای انرژی خورشیدی IPS با استفاده از باتری‎های لیتیوم-یون قابل شارژ صنعتی شبکه‎های زنجيره‎ای بزرگی را تشکیل می‎دهند که یک ارتباط بی‎سیم واقعی را با اینترنت اشیا صنعتی برقرار می‎کند.

تمام این پارکومترها به‌طور بی‎سیم با یکدیگر و یک سیستم مدیریت جامع تحت وب شبکه شده‎اند. پانل‎های کوچک فوتوولتاژ انرژی خورشیدی را جمع‌آوری می‎کنند و این انرژی را توسط باتری‎های لیتیوم-یون قابل شارژ صنعتی ذخیره می‎کنند و انرژی مورد نیاز برای برقراری ارتباط بی‎سیم دوطرفه را برای تمام 365 روز سال به‌مدت بیش از 20 سال فراهم می‎سازند.

حسگرهای یکپارچه‌سازی سازه میزان فشار، شیب، گرایش، ارتعاش، جابه‌جایی، تغییر شکل، دما و رطوبت را در موارد کاربردی همچون استفاده در پل‎ها، تونل‎ها، ساختمان‎های بزرگ تجاری، برج‎ها و خطوط لوله اندازه‌گیری می‎کنند

   پیشرفت‎های فناوری فرصت‎هایی را برای ساخت باتری‎های LiSOCl2 بوبین‌دار و باتری‎های لیتیوم-یون قابل شارژ صنعتی فراهم کرده است تا بتوانند انرژی طولانی‌مدت و هوشمند را برای استفاده در هر نوع دستگاه بی‎سیم از راه دور فراهم کنند و در نتیجه بتوانيم اینترنت اشیا صنعتی را کاملاً بی‎سیم تجربه کنیم.