Nod sensor persekitaran wayarles menghabiskan hampir seluruh hidupnya dengan tidak melakukan apa-apa, kemudian meminta segala-galanya daripada baterinya serentak. Selama beberapa minit ia tidur, hanya menarik arus tahap mikroamp yang diperlukan untuk mengekalkan ingatan dan menjalankan jam masa nyata; selama beberapa ratus milisaat ia bangun, menguja sensor, menjalankan penukaran analog-ke-digital dan urutan mikropengawal, kemudian mengaktifkan radio kawasan luas kuasa rendah yang peringkat penghantarannya boleh menuntut 50 hingga 150 mA. Nisbah melampau antara arus terbiar dan arus aktif ini, selalunya merangkumi empat atau lima tertib magnitud, ialah fakta penentu reka bentuk kuasa nod. Makalah ini — yang pertama daripada tiga mengenai kuasa nikel-logam hidrida untuk penderiaan persekitaran wayarles — membedah rejim tenaga berdenyut itu, menunjukkan bagaimana arus purata, arus puncak dan kemerosotan voltan berinteraksi, dan menerangkan mengapa sel NiMH boleh cas semula atau pek kecil, sering digandingkan dengan takungan kapasitor dan penuai tenaga, ialah pilihan yang sengaja dan boleh dipertahankan di mana-mana nod diselenggara, dibantu solar atau perlu menyampaikan denyut radio tinggi tanpa keruntuhan voltan yang melumpuhkan sel primer kecil.
Nod persekitaran yang dibina di atas timbunan kawasan luas kuasa rendah seperti LoRaWAN atau NB-IoT ialah mesin keadaan terhingga keadaan tenaga. Dalam tidur dalam, mikropengawal, hujung hadapan sensor dan radio digetkan, dan perkakasan yang direka dengan baik mengekalkan keadaan ini di bawah kira-kira 100 mikroamp, dengan reka bentuk terbaik dalam kelas jauh lebih rendah. Apabila bangun berasaskan pemasa atau peristiwa, pensampelan sensor menarik sekitar 0,5 hingga 5 mA selama puluhan hingga ratusan milisaat semasa transduser, penguat dan penukar mengendap; pengelogan flash menambah satu lagi letusan 10 hingga 20 mA. Denyut penghantaran LPWAN ialah peristiwa penentu: rujukan reka bentuk kuasa rendah yang diterbitkan meletakkan peringkat penghantaran pada kira-kira 50 hingga 150 mA untuk tempoh di udara, yang sendiri bergantung pada faktor penyebaran dan muatan.
Tenaga ialah kamiran masa arus, jadi objek reka bentuk yang betul bukanlah sebarang arus tunggal tetapi kitar lengkap. Nod yang tidur pada 20 mikroamp, mengambil sampel selama 200 ms pada 2 mA setiap sepuluh minit dan menghantar selama 800 ms pada 100 mA membelanjakan majoriti besar belanjawan Coulombnya dalam letusan radio walaupun letusan itu menduduki pecahan kecil masa jam dinding. Mengurangkan arus tidur dari 20 ke 5 mikroamp berbaloi, tetapi mengurangkan tenaga penghantaran — muatan lebih pendek, faktor penyebaran lebih rendah apabila margin pautan mengizinkan, kurang cubaan semula — biasanya menghasilkan lebih banyak, itulah sebabnya konfigurasi radio dan pemilihan bateri tidak boleh dipisahkan.
Bateri dengan kapasiti nominal yang mencukupi masih boleh menggagalkan nod jika voltan terminalnya merosot di bawah pemotongan pengawal atur atau radio semasa denyut penghantaran. Sel butang kecil, sebagai contoh, bersaiz untuk beacon BLE dan beban mikroamp berterusan dan secara meluas dinilai tidak sesuai untuk letusan penghantaran LoRa kerana impedans dalamannya tidak dapat menahan voltan terhadap denyut 100 mA; panduan reka bentuk sebaliknya menunjuk kepada sel format AA, litium tionil klorida dengan kapasitor denyut, ion litium, atau kimia boleh cas semula berpenimbal. Keperluan denyut ialah masalah impedans dahulu dan masalah tenaga kedua.
Sel NiMH tertutup ialah peranti berimpedans rendah secara semula jadi. Buku panduan pengeluar melaporkan impedans dalaman sekitar 25 hingga 35 miliohm untuk AA yang dicas pada 1 kHz, dan barisan industri ditawarkan dengan arus nyahcas sehingga beberapa ampere. Pada denyut penghantaran 100 mA impedans itu menghasilkan kejatuhan ohmik kecil yang boleh diramal dan bukannya kemerosotan dalam sel butang primer berimpedans tinggi — tepat tingkah laku yang diperlukan radio untuk mengekalkan bekalan peringkat PA-nya di atas ambang keciciran kuasa. Rajah animasi pertama mengasingkan sumbangan tenaga setiap keadaan; yang kedua menjejak sampul voltan yang mesti dipegang pek melalui peristiwa penghantaran.
Menganggar hayat perkhidmatan bermakna mengira arus purata kitar dan kemudian menggunakan rantaian penurunan nilai realistik untuk suhu, kecekapan denyut, nyahcas sendiri, voltan pemotongan, cubaan semula rangkaian dan penuaan – kaedah yang sama disyorkan dalam literatur hayat bateri LoRaWAN dan NB-IoT. Arus purata ialah cas setiap kitar dibahagikan dengan tempoh kitar; kapasiti tersedia ialah kapasiti papan nama sel dikurangkan oleh pecahan yang tidak dapat dicapai di atas pemotongan pengawal atur, oleh kehilangan suhu rendah dan degradasi kalendar. Mengabaikan penurunan nilai ini menghasilkan hayat hamparan yang tidak pernah dicapai penggunaan lapangan.
Bagi nod primer yang tidak boleh cas semula, pengiraan berakhir dengan selang perkhidmatan diukur dalam tahun, itulah sebabnya litium tionil klorida mendominasi pemeteran sepuluh tahun tanpa penyelenggaraan. Bagi nod yang diselenggara atau menuai, pengiraan sebaliknya ialah keseimbangan tenaga harian: tenaga yang dituai oleh sel fotovolta kecil atau transduser lain mesti melebihi beban purata yang dipuratakan merentasi tetingkap kegelapan musim paling teruk. NiMH masuk ke sini sebagai penimbal boleh cas semula, toleran kitar yang diisi semula berulang kali dan bukannya habis sekali, dan formulasi nyahcas sendiri rendahnya penting untuk mengekalkan keseimbangan yang jujur semasa tempoh malap yang panjang.
Banyak nod persekitaran bukanlah peranti bateri primer yang sebenar: sel fotovolta, penjana termoelektrik atau penuai lain menyuap litar bersepadu pengurusan kuasa, yang mengecas elemen storan yang membawa nod melalui kegelapan dan membekalkan denyut radio. Dalam seni bina itu elemen storan mesti menerima cas cetek yang tidak teratur daripada sumber lemah, bertahan beratus hingga beberapa ribu kitar cetek dan menyampaikan arus tinggi atas permintaan. Inilah tugas-tugas di mana sel atau pek NiMH tertutup, dengan toleransi cas berlebihan dalam had reka bentuk dan keupayaan denyutnya, berasa selesa.
Penambahbaikan biasa meletakkan superkapasitor kecil atau takungan seramik berbilang lapisan selari dengan pek NiMH: sel membekalkan tenaga kitar pada kadar berterusan rendah manakala kapasitor membekalkan arus penghantaran serta-merta, mengehadkan kemerosotan voltan dan mengurangkan tekanan RMS ke atas sel. Hibrid ini membolehkan pereka menggunakan kapasiti NiMH yang sederhana — bersaiz kepada sasaran autonomi merentasi kegelapan dan bukannya arus puncak — sementara masih memenuhi denyut radio. Seni bina ini juga gagal dengan anggun, kerana pek yang habis pulih sebaik penuaian disambung semula dan bukannya memerlukan lawatan tapak.
Sel litium tionil klorida primer menetapkan penanda aras hayat tanpa pengawasan: ia menggabungkan ketumpatan tenaga tinggi, nyahcas sendiri di bawah kira-kira satu peratus setahun dan operasi hingga suhu sangat rendah, itulah sebabnya ia menjadi lalai untuk nod meter pintar sepuluh tahun. NiMH tidak memenangi pertandingan dekad tanpa penyelenggaraan dan tidak harus dispesifikasikan di mana nod benar-benar tidak akan dilawati lagi. Nyahcas sendiri — walaupun dalam gred nyahcas sendiri rendah yang mengekalkan kira-kira tiga suku cas selepas setahun — dan ketumpatan tenaganya yang lebih rendah ialah had sebenar yang mesti dicerminkan belanjawan tenaga.
NiMH sebaliknya memenangi set kes yang berbeza: nod yang diselenggara mengikut jadual, nod yang terletak bersama penuai solar atau lain, nod yang arus denyut tingginya akan memaksa hibrid primer-tambah-superkapasitor yang mahal, tapak sejuk tetapi tidak melampau di mana kimia boleh cas semula yang boleh dicas di bawah takat beku dihargai, dan produk yang profil kawal selia atau pelanggannya lebih suka sel bukan litium, mudah diangkut. Membingkaikan pilihan sebagai alat yang betul untuk kitar tugas — dan bukannya pemenang sejagat — itulah yang menjadikan spesifikasi kuasa boleh dipertahankan.
Analisis profil beban menghasilkan senarai semak spesifikasi konkrit: ukur atau peroleh arus setiap keadaan, tempoh dan pengulangan setiap letusan penghantaran, tingkah laku cubaan semula kes terburuk, pemotongan voltan bekalan radio dan pengawal atur, julat suhu ambien dan realiti penyelenggaraan atau penuaian tapak. Daripada input itu pereka mengira arus purata, arus puncak dan takungan yang diperlukan, kemudian memilih kimia yang impedans dan tingkah laku kitarnya sepadan.
Untuk laluan NiMH, makalah seterusnya menterjemah profil ini ke dalam reka bentuk pek – format dan bilangan sel, kapasiti berbanding sasaran autonomi kegelapan, saiz takungan kapasitor, pengurusan cas daripada penuai lemah yang terputus-putus, pemilihan nyahcas sendiri rendah dan susun atur terma. Makalah ketiga meliputi program kelayakan – prestasi IEC 61951-2, keselamatan IEC 62133-2, ujian kepungan dan persekitaran, pematuhan peralatan radio dan pengangkutan – yang menukar prototaip munasabah kepada nod yang boleh digunakan di lapangan dengan yakin.
Weijiang Power mereka bentuk dan mengeluarkan sel nikel-logam hidrida tertutup dan pek industri padan untuk peralatan jauh, luar grid dan berkaitan keselamatan, dan menyokong rakan kongsi OEM dengan fail prestasi IEC 61951-2, bukti keselamatan IEC 62133-2, pencirian beban denyut, ujian suhu luas dan pengesahan bersama pengecas/pek. Beritahu kami kitar tugas anda, arus puncak, sampul suhu, sasaran autonomi dan piawai yang mesti dipenuhi produk anda, dan jurutera kami akan menspesifikasikan gabungan sel-dan-pek yang melindungi masa jalan, kebolehpercayaan dan hayat perkhidmatan. Semak rangkaian pada halaman produk.
