Автор | Сообщение |
---|---|
admin | |
Автоматизированные системы учета ресурсов требуют счетчиков, способных работать с автономным электропитанием от батарей в жестких условиях эксплуатации более 15 лет. Литиевые батарейки для этой цели выпускают такие крупные мировые производители, как EEMB, SAFT, EVE, Varta, Tekcell, Robiton, Minamoto. Но долгоживущая батарейка – это только первый шаг в непростом проектировании таких систем. Глобальные экономические и экологические кризисы стимулируют разработку и внедрение технологий рационального использования ресурсов. Одним из направлений решения этой задачи является использование локального оборудования сбора и обработки данных (ЛОСОД) и автоматизированных систем коммерческого учета энергоресурсов (АСКУЭ). Использование ЛОСОД/АСКУЭ позволяет в режиме реального времени контролировать, анализировать, прогнозировать и оптимизировать величину потребления различных видов ресурсов, а также оперативно обнаруживать возникновение аварийных ситуаций, например, утечек или несанкционированного подключения. Рис. 1. Счетчик СЕ 303 производства компании «Энергомера» На сегодняшний день оборудование для автоматизированных систем учета ресурсов выпускается большинством ведущих мировых и российских производителей. В таблице 1 приведены краткие характеристики некоторых современных счетчиков, предназначенных для измерения количества электроэнергии, природного газа, тепловой энергии, горячих и холодных жидкостей, которые могут использоваться в составе ЛОСОД/АСКУЭ. В нормальном режиме питание счетчиков может осуществляться как от промышленной сети переменного тока, так и от источников постоянного тока. Например, большинство расходомеров группы российских компаний «Взлет» (рисунок 2) питается от сети постоянного тока напряжением 24 В, а большинство электросчетчиков питается непосредственно от сети, в которой производятся измерения. а)
Одним из направлений дальнейшего развития систем ЛОСОД/АСКУЭ может стать использование современных экономичных технологий передачи данных, например, глобальных беспроводных сетей с малым потреблением LPWAN (Low Power Wide Area Network). На сегодняшний день по всему миру разворачивается инфраструктура для передачи данных устройств Интернета вещей, число которых уже исчисляется миллионами. Для этой цели в 2015 году была создана некоммерческая организация LoRa Alliance, объединяющая операторов связи, производителей микроэлектроники и программного обеспечения, в состав которой входят компании IBM, Semtech, Cisco, Inmarsat, Swisscom и другие. Основной миссией LoRa Alliance является продвижение протокола LoRaWAN (рисунок 3), который может быть принят в качестве единого стандарта для устройств Интернета вещей. В рамках этого направления в 2016 году компанией «Лартех Телеком» начато строительство сетевой инфраструктуры сети LoRaWAN на территории России. Рис. 3. Архитектура сети LoRaWAN Очевидно, что основной проблемой при разработке счетчиков, предназначенных для длительной автономной работы, является организация питания электронной части, требования к которому являются очень жесткими и порой – взаимоисключающими. Счетчики являются малогабаритными устройствами, и возможность увеличения их габаритов для размещения источника питания большой емкости ограничена существующими техническими условиями. Часто счетчики располагаются в местах с малым объемом (шкафах, нишах, колодцах, технологических коридорах), и счетчик больших размеров может просто не поместиться в нужном месте, поэтому элемент питания должен быть по возможности малогабаритным. Замена элемента питания обычно является частью регламента поверки счетчика и должна проводиться квалифицированным персоналом в специализированных сервисных центрах. Поэтому срок службы элемента должен быть не меньше, чем длительность межповерочного интервала, который для электросчетчиков может достигать 16 лет. Для некоторых приборов, например, газового счетчика ИРВИС-РС4, длительность интервала между поверками составляет 4 года и, как указано в технической документации, определяется сроком службы батареи. Таким образом, увеличение времени работы от батареи приводит к увеличению межповерочного интервала и, соответственно, к повышению надежности и уменьшению затрат на обслуживание системы. Счетчики работают в жестких условиях эксплуатации. Как видно из таблицы 1, диапазон рабочих температур всех видов приборов, кроме водомеров, находится в диапазоне -40…60°С (для водомеров нижний порог органичен температурой замерзания жидкости). Причем счетчики, расположенные вне помещений, подвергаются еще и резким перепадам влажности и температуры. Например, температура электросчетчика, расположенного в уличном шкафу, может изменяться на 40°С, дважды за стуки переходя точку замерзания воды. Еще одной особенностью работы элементов питания счетчиков, обусловленной наличием беспроводных интерфейсов, является сложный характер потребления энергии. При выполнении измерений энергопотребление счетчика невелико, но при передаче данных по радиоканалу оно может возрасти на несколько порядков. Это накладывает дополнительные требования к характеристикам элемента питания, поскольку внутреннее сопротивление, которое ограничивает величину максимального тока, и ток саморазряда, от которого зависит срок службы, взаимосвязаны: при уменьшении внутреннего сопротивления ток саморазряда обычно увеличивается. Таким образом, организация питания счетчика требует высокого профессионализма разработчика, учета большого количества взаимосвязанных параметров и глубокого понимания процессов, происходящих как в элементе питания, так и во всем устройстве. В этой статье рассмотрены основные моменты и особенности выбора элемента питания, позволяющие уменьшить количество ошибок при проектировании и сократить время на разработку современных счетчиков. Анализируя номенклатуру ведущих производителей химических источников тока, выпускающихся уже более 100 лет, можно отметить, что они делятся на две большие категории: первичные (невозобновляемые, незаряжаемые), которые принято называть «батарейками», и вторичные (перезаряжаемые) – аккумуляторы. Очевидно, что аккумуляторы имеет смысл использовать при наличии некоторого первичного источника энергии, который при автономном использовании счетчика отсутствует. Поэтому питание электроники счетчика на протяжении всего срока эксплуатации обычно осуществляется от первичных источников тока. В аппаратуре, не предназначенной для работы в жестких условиях, обычно используют недорогие солевые или щелочные батарейки, однако из-за малого срока хранения и эксплуатации для использования в счетчиках они не подходят, и наилучшим решением является использование литиевых источников тока. Литиевые батарейки выпускаются как небольшими малоизвестными компаниями (в основном, расположенными в Китае), так и крупными мировыми производителями химических источников тока, пользующихся заслуженной популярностью среди производителей электроники, в числе которых EVE, SAFT, Varta, Tekcell, Robiton, Minamoto и другие. Например, компания EEMB, штат которой состоит из примерно 1600 человек, производит батареи и аккумуляторы с 1995 года. В каталогах компании присутствует широкий ассортимент химических источников тока для промышленных и специальных приложений. Высокая надежность продукции производства EEMB во многом обусловлена использованием системы контроля качества, соответствующей стандарту ISO9001, которая внедрена на всех этапах производственного процесса. Для использования в счетчиках (Meter Battery) компания EEMB позиционирует широкий ассортимент высокоемкостных (Enegry Type) литиевых батареек бобинного типа (таблица 2). Помимо батареек большой емкости, компания EEMB предлагает источники тока повышенной мощности (High Power Type), а также элементы питания с расширенным диапазоном рабочих температур (High Temperature), верхняя граница которого достигает 150°С. Таблица 2. Ассортимент батареек EEMB для счетчиков Благодаря высокому качеству производства литиевые элементы питания EEMB можно использовать в медицинском оборудовании, кассовых аппаратах, поисково-спасательном оборудовании, беспроводных системах безопасности, наземных сенсорах, мобильных системах слежения, приборах ночного видения, устройствах автоматизированного удаленного управления, автомобильных устройствах слежения и многих других. Французская компания SAFT производит химические источники тока с 1918 года. За практически вековой период компания стала заслуженным мировым лидером в данной отрасли. На сегодняшний день компания производит свою продукцию в 18 странах, расположенных по всему миру. Изделия SAFT имеют наивысший уровень надежности, безопасности и экологической чистоты. Компании SAFT принадлежит первый международный патент на литиевые источники тока, который был получен в 1965 году. Благодаря тесному взаимодействию с потребителями своей продукции, компания способна предлагать готовые решения, максимально адаптированные для каждой конкретной задачи. Например, в ассортименте SAFT присутствует ряд батареек, специально разработанных для автономного питания различных приборов учета (таблица 3). Таблица 3. Ассортимент батареек SAFT для счетчиков Литиевые батарейки производства компании SAFT обладают количеством энергии и мощностью, достаточной для применения в бытовых и промышленных счетчиках, работающих в жестких условиях и не подключенных к источникам постоянного или переменного тока. Основными преимуществами данных батареек являются:
Рис. 4. Сравнение графиков разряда батарей LM17500 производства компании SAFT и CR17450 другого производителя
Однако использование самой дорогой, самой емкой литиевой батарейки наивысшего качества самого известного производителя не гарантирует длительной и стабильной работы счетчика. На практике периодически возникают случаи, когда время автономной работы в реальных режимах эксплуатации отличается от расчетного в несколько раз. Поскольку длительность межповерочного интервала исчисляется годами, а замена батареи сопряжена с большим количеством дополнительных организационных мероприятий, такое расхождение уменьшает уровень доверия к изготовителям батареек и, как следствие, сдерживает широкое распространение счетчиков с автономным питанием и уменьшает длительность межповерочного интервала. Когда длительность работы от батарейки исчисляется годами, не всегда есть возможность сразу проверить на практике правильность проектирования профиля питания. Поэтому возникновение массовых отказов очень болезненно воспринимается как производителями приборов учета, так и конечными потребителями. При анализе причин возникшей ситуации первыми под подозрение обычно попадают производители элементов питания, поскольку после разряда проверить качество изготовления батарейки уже не представляется возможным. Однако в большинстве случаев после подключения к анализу представителей компании, производящей батарейки, оказывается, что проблема заключалась или в неправильном выборе батарейки, или в других ошибках проектирования счетчика. На сегодняшний день проектирование любого прибора, способного работать больше 10 лет от одной батарейки в сложных условиях окружающей среды, больше похоже на искусство, чем на рутинную инженерную работу, поскольку какой-либо четкой методики расчета времени работы батареи на такой срок не существует. Рассмотрим основные особенности использования литиевых батареек, которые необходимо учитывать при проектировании счетчиков с длительным временем автономной работы. Литиевые элементы делятся на три основные группы, имеющие различный химический состав, характеристики и, соответственно, различные особенности и сферы применения.
Максимальный ток, который может отдавать литиевый элемент, зависит от его конструкции, которая может быть бобинной или спиральной (рисунок 6). Рис. 6. Конструкция литиевых элементов SAFT: а) бобинного
Элементы спиральной конструкции, благодаря большей площади литиевого контакта, в импульсном режиме способны обеспечить ток до 4 А, а в режиме постоянного разряда – 0,1…1,8 А, однако саморазряд спиральных элементов на порядок больше, чем у бобинных (до 10% в год при неблагоприятных условиях хранения или эксплуатации), что не позволяет их использовать в приложениях, требующих сверхдлительного времени работы без замены батареи. Особенностью литиевых батареек является изменяющееся значение внутреннего сопротивления из-за пассивации анода, которая наиболее ярко проявляется в тионилхлоридных элементах. Литий и тионилхлорид имеют высокий уровень химической активности. При сборке батарейки эти два вещества реагируют друг с другом, в результате чего на поверхности анода образуется пленка хлорида лития, не растворяющаяся в тионилхлориде. Эта пленка останавливает реакцию, предотвращая дельнейший расход лития. Аналогичная реакция происходит с алюминием, который также является чрезвычайно активным металлом. При соприкосновении с воздухом на поверхности алюминиевых изделий образуется прочная, химически пассивная пленка, прекращающая дальнейшее окисление. Благодаря ей алюминиевые изделия можно использовать как в воздухе, так и в воде без какой-либо дополнительной защиты от коррозии. Толщина изолирующей пленки тионилхлоридных элементов непостоянна и зависит от большого количества факторов. Образование пленки происходит непрерывно, независимо от того, используется батарейка или нет. Поскольку пленка образуется в результате химической реакции, то скорость ее образования напрямую зависит от температуры окружающей среды. При увеличении температуры скорость образования пленки увеличивается, поэтому чем дольше хранится элемент и чем выше температура его хранения – тем больше толщина пленки. Уменьшить толщину пленки можно или механическим воздействием, или путем пропускания через элемент разрядного тока. Изолирующую пленку эффективно растворяет даже небольшой разрядный ток. Поскольку пассивация приводит к увеличению внутреннего сопротивления, то после длительного хранения при высоких температурах батарейка, несмотря на наличие достаточного запаса энергии, в первое время не способна обеспечить прибор питанием нужного качества. Во время разряда на внутреннем сопротивлении батарейки возникает падение напряжения, пропорциональное величине разрядного тока. При небольших токах разряда просадка напряжения незначительна и не приводит к отказу прибора, но при увеличении тока напряжение на выводах батарейки может оказаться меньше напряжения отключения прибора (рисунок 7). В этом случае перед установкой батарейки необходимо предварительно выполнить ее депассивацию, заключающуюся в разряде небольшим током до тех пор, пока напряжение на ее выводах не стабилизируется. Рис. 7. Напряжение на выводах пассированного литий-тионилхлоридного элемента Для продления времени жизни счетчика, потребляющего постоянный ток небольшой величины, во время работы необходимо выполнять периодическую депассивацию элемента питания путем увеличения потребляемого тока. Частоту выполнения депассивации и величину разрядного тока в большинстве случаев необходимо подбирать экспериментально, в зависимости от реальных условий эксплуатации. Рекомендуется плавное увеличение разрядного тока с обязательным контролем напряжения питания до момента его стабилизации на некотором уровне. Депассивацию импульсным током большой величины для подобных приборов делать не рекомендуется, поскольку в этом случае напряжение питания может существенно уменьшиться, что приведет к отказу прибора. Также следует помнить, что на депассивацию расходуется часть энергии батарейки, поэтому слишком частое ее выполнение также приводит к уменьшению времени автономной работы. Еще более сложная ситуация в счетчиках, оборудованных радиомодулями или оптическими интерфейсами. Передача данных по этим интерфейсам требует большого расхода энергии, поэтому такие счетчики имеют ярко выраженный импульсный характер потребления тока. С одной стороны, такой характер потребления устраняет проблему депассивации – во время сеанса передачи данных изолирующая пленка в большинстве случаев растворяется без остатка. С другой стороны, полное растворение пленки также негативно сказывается на сроке службы элемента. После окончания токового импульса литий и тионилхлорид сразу же вступают в химическую реакцию, скорость которой из-за отсутствия защитного барьера намного больше, чем скорость образования пленки при разряде постоянным током. Таким образом, при каждом сеансе связи энергия батарейки тратится не только на передачу данных, но и на ее последующую пассивацию (рисунок 8). При частых сеансах связи этот дополнительный расход энергии необходимо обязательно учитывать при проектировании, поскольку он может привести к заметному сокращению времени работы батарейки. Количество лития, которое тратится на образование пленки после токового импульса, также зависит от многих параметров, которые обычно в технической документации не приводятся. Поэтому при ярко выраженном импульсном характере потребления для расчета среднего срока службы батарейки следует обратиться к изготовителю, поскольку только он знает все особенности физико-химических процессов, происходящих внутри нее. Например, компания SAFT для своих клиентов расчет срока службы батарейки может выполнить бесплатно. При импульсном характере потребления еще одной проблемой может оказаться длительность времени между сеансами связи. При регулярном обмене данными с небольшими промежутками времени, например, при непрерывном мониторинге системы, пассивации элемента может не произойти. Однако если длительность между интервалами связи составляет месяц и более, что для счетчиков вполне нормально, то за это время может произойти пассивация, и батарейка окажется не в состоянии обеспечить счетчик энергией, достаточной для обмена данными (рисунок 9). Эта же ситуация может произойти, если счетчик длительное время не используется, например, при мониторинге сезонных объектов. В этом случае в прибор также необходимо встраивать необходимые узлы, и при больших перерывах между сеансами связи периодически проводить депассивацию. Рис. 8. Пассивация элемента после разряда большим током
В любом случае количество энергии рекомендуется тщательно контролировать. Для этой цели можно использовать специализированные микросхемы, например, MAX17хх производства компании MAXIM Integrated, которые для оценки оставшегося заряда батареи используют специально разработанную математическую модель литиевого элемента ModelGauge™ (рисунок 10). Микросхемы определяют количество энергии, потребленной от батареи, в том числе – и с учетом температуры окружающей среды. На основании этих данных можно прогнозировать оставшееся время работы. Рис. 10. Схема включения расходомера MAX17040/MAX17041 Заключение Источник: https://www.compel.ru/lib/ne/2017/6/7-nemnogo-magii-primenenie-litievyih-batareek-v-avtomatizirovannyih-sistemah-ucheta-resursov |
|
Сообщения: 463 |