Một nút cảm biến môi trường không dây dành gần như toàn bộ cuộc đời mình để không làm gì cả, rồi yêu cầu mọi thứ từ pin của nó cùng một lúc. Trong nhiều phút nó ngủ, chỉ rút dòng điện mức microamp cần thiết để giữ bộ nhớ và chạy đồng hồ thời gian thực; trong vài trăm mili giây nó thức, kích thích cảm biến, thực hiện chuyển đổi tương tự-sang-số và trình tự vi điều khiển, rồi bật một vô tuyến diện rộng công suất thấp mà tầng phát có thể đòi hỏi 50 đến 150 mA. Tỷ lệ cực đoan giữa dòng nghỉ và dòng hoạt động này, thường trải dài bốn hoặc năm bậc độ lớn, chính là sự thật định nghĩa thiết kế nguồn của nút. Bài viết này — bài đầu tiên trong ba bài về nguồn niken-kim loại hydrua cho cảm biến môi trường không dây — mổ xẻ chế độ năng lượng xung đó, trình bày cách dòng trung bình, dòng đỉnh và sụt áp tương tác, và giải thích tại sao một tế bào NiMH sạc lại hay một bộ pin nhỏ, thường đi kèm với bể tụ điện và bộ thu hoạch năng lượng, là lựa chọn có chủ đích và hợp lý bất cứ nơi nào nút được bảo trì, hỗ trợ bằng năng lượng mặt trời hoặc phải cung cấp các xung vô tuyến cao mà không bị sụp đổ điện áp làm tê liệt các tế bào sơ cấp nhỏ.
Một nút môi trường xây dựng trên ngăn xếp diện rộng công suất thấp như LoRaWAN hay NB-IoT là một máy trạng thái hữu hạn gồm các trạng thái năng lượng. Trong ngủ sâu, vi điều khiển, đầu cuối cảm biến và vô tuyến được đóng cổng, và phần cứng được thiết kế tốt giữ trạng thái này dưới khoảng 100 microamp, với các thiết kế tốt nhất lớp thấp hơn hẳn. Khi thức theo hẹn giờ hoặc theo sự kiện, việc lấy mẫu cảm biến rút vào khoảng 0,5–5 mA trong hàng chục đến hàng trăm mili giây khi các bộ chuyển đổi, bộ khuếch đại và bộ biến đổi ổn định; ghi flash thêm một cụm 10–20 mA nữa. Xung phát LPWAN là sự kiện quyết định: các tài liệu thiết kế công suất thấp đã công bố đặt tầng phát ở khoảng 50–150 mA trong thời gian trên không, bản thân thời gian này phụ thuộc vào hệ số trải phổ và tải trọng.
Năng lượng là tích phân theo thời gian của dòng điện, vì vậy đối tượng thiết kế đúng đắn không phải là bất kỳ dòng đơn lẻ nào mà là toàn bộ chu kỳ. Một nút ngủ ở 20 microamp, lấy mẫu trong 200 ms ở 2 mA cứ mười phút một lần và phát trong 800 ms ở 100 mA dành phần áp đảo ngân sách Coulomb của mình cho cụm vô tuyến mặc dù cụm chiếm một phần rất nhỏ thời gian thực. Giảm dòng ngủ từ 20 xuống 5 microamp là đáng giá, nhưng giảm năng lượng phát — tải trọng ngắn hơn, hệ số trải phổ thấp hơn khi dự phòng liên kết cho phép, ít thử lại — thường mang lại nhiều hơn, đó là lý do cấu hình vô tuyến và chọn pin không thể tách rời.
Một pin với dung lượng danh định dồi dào vẫn có thể làm nút thất bại nếu điện áp đầu cực của nó tụt dưới ngưỡng cắt của bộ điều áp hoặc vô tuyến trong xung phát. Một tế bào nút áo nhỏ, chẳng hạn, được định cỡ cho các báo hiệu BLE và tải microamp liên tục và bị rộng rãi coi là không phù hợp với các cụm phát LoRa vì trở kháng trong của nó không thể giữ điện áp trước một xung 100 mA; hướng dẫn thiết kế thay vì vậy chỉ đến các tế bào định dạng AA, lithium thionyl clorua với tụ xung, lithium-ion, hoặc một hóa học sạc lại có đệm. Yêu cầu xung trước hết là bài toán trở kháng và thứ hai mới là bài toán năng lượng.
Các tế bào NiMH kín vốn là thiết bị trở kháng thấp. Sổ tay nhà sản xuất báo cáo trở kháng trong vào khoảng 25–35 miliom cho một tế bào AA đã sạc ở 1 kHz, và các dòng công nghiệp được cung cấp với dòng xả lên đến vài ampe. Ở một xung phát 100 mA, trở kháng đó tạo ra sụt áp ôm nhỏ, dự đoán được thay vì sụt sâu của một tế bào nút áo sơ cấp trở kháng cao — chính xác là hành vi mà một vô tuyến cần để giữ nguồn cung cấp tầng PA của mình trên ngưỡng sụt nguồn. Hình ảnh động đầu tiên tách phần đóng góp năng lượng của từng trạng thái; hình thứ hai vẽ đường bao điện áp mà một bộ pin phải giữ qua một sự kiện phát.
Ước tính tuổi thọ nghĩa là tính dòng trung bình theo chu kỳ rồi áp dụng một chuỗi các mức giảm thực tế cho nhiệt độ, hiệu suất xung, tự xả, điện áp cắt, thử lại mạng và lão hóa – cùng phương pháp được khuyến nghị trong tài liệu tuổi thọ pin LoRaWAN và NB-IoT. Dòng trung bình là điện tích mỗi chu kỳ chia cho chu kỳ; dung lượng khả dụng là dung lượng trên nhãn của tế bào bị giảm bởi phần không thể tiếp cận trên ngưỡng cắt bộ điều áp, bởi tổn thất nhiệt độ thấp và suy giảm theo lịch. Bỏ qua các mức giảm này tạo ra tuổi thọ trên bảng tính mà các triển khai thực địa không bao giờ đạt được.
Với một nút sơ cấp không sạc lại, phép tính kết thúc ở một chu kỳ bảo trì tính bằng năm, đó là lý do lithium thionyl clorua thống lĩnh đo đạc mười năm không bảo trì. Với một nút được bảo trì hoặc thu hoạch, phép tính thay vào đó là cân bằng năng lượng hằng ngày: năng lượng do một tế bào quang điện nhỏ hoặc bộ chuyển đổi khác thu hoạch phải vượt quá tải trung bình tính trên cửa sổ bóng tối của mùa xấu nhất. NiMH tham gia ở đây như một bộ đệm sạc lại, chịu được chu kỳ, được nạp lại nhiều lần thay vì cạn kiệt một lần, và các công thức tự xả thấp của nó là thiết yếu để giữ cân bằng trung thực trong các kỳ tối mịt kéo dài.
Nhiều nút môi trường hoàn toàn không phải là thiết bị pin sơ cấp thực sự: một tế bào quang điện, máy phát nhiệt điện hoặc bộ thu hoạch khác nuôi một mạch tích hợp quản lý năng lượng, mạch này sạc một phần tử lưu trữ dẫn nút qua bóng tối và cung cấp xung vô tuyến. Trong kiến trúc đó, phần tử lưu trữ phải chấp nhận nạp nông, không đều từ một nguồn yếu, sống sót qua hàng trăm đến vài nghìn chu kỳ nông và cung cấp dòng cao theo yêu cầu. Đây chính xác là những nhiệm vụ mà một tế bào hay bộ pin NiMH kín, với khả năng chịu sạc quá mức trong giới hạn thiết kế và khả năng xung của nó, đảm đương thoải mái.
Một cải tiến phổ biến đặt một siêu tụ điện nhỏ hoặc bể gốm đa lớp song song với bộ pin NiMH: tế bào cung cấp năng lượng chu kỳ ở tốc độ liên tục thấp trong khi tụ điện cung cấp dòng phát tức thời, hạn chế sụt áp và giảm ứng suất hiệu dụng (RMS) lên tế bào. Sự lai này cho phép các nhà thiết kế dùng dung lượng NiMH khiêm tốn — định cỡ theo mục tiêu tự chủ qua bóng tối chứ không theo dòng đỉnh — đồng thời vẫn đáp ứng xung vô tuyến. Kiến trúc này cũng hỏng một cách êm ái, vì một bộ pin cạn phục hồi ngay khi thu hoạch nối lại thay vì đòi hỏi một chuyến thăm hiện trường.
Các tế bào lithium thionyl clorua sơ cấp đặt ra chuẩn mực cho tuổi thọ không giám sát: chúng kết hợp mật độ năng lượng cao, tự xả dưới khoảng một phần trăm mỗi năm và hoạt động ở nhiệt độ rất thấp, đó là lý do chúng là mặc định cho các nút đồng hồ thông minh mười năm. NiMH không thắng cuộc chạy đua một thập kỷ không bảo trì và không nên được chỉ định nơi một nút thực sự sẽ không bao giờ được thăm lại. Tự xả của nó — ngay cả ở các loại tự xả thấp giữ lại khoảng ba phần tư điện tích sau một năm — và mật độ năng lượng thấp hơn là những hạn chế thực tế mà ngân sách năng lượng phải phản ánh.
NiMH thay vào đó thắng một nhóm trường hợp khác: các nút được bảo trì theo lịch, các nút đặt cùng một bộ thu hoạch mặt trời hoặc khác, các nút mà dòng xung cao của chúng dù sao cũng sẽ buộc phải dùng bộ lai sơ-cấp-cộng-siêu tụ đắt tiền, các địa điểm lạnh nhưng không khắc nghiệt nơi một hóa học sạc lại có thể sạc dưới điểm đóng băng được coi trọng, và các sản phẩm mà hồ sơ pháp lý hoặc khách hàng của chúng thích một tế bào không chứa lithium, đơn giản khi vận chuyển. Đóng khung lựa chọn như công cụ đúng cho chu kỳ nhiệm vụ — chứ không phải người thắng phổ quát — là điều làm cho một đặc tả nguồn trở nên hợp lý.
Phân tích cấu hình tải đưa ra một danh sách kiểm tra cụ thể: đo hoặc lấy dòng của mọi trạng thái, thời lượng và sự lặp lại của mọi cụm phát, hành vi thử lại trong trường hợp xấu nhất, ngưỡng cắt điện áp nguồn của vô tuyến và bộ điều áp, dải nhiệt độ môi trường và thực tế bảo trì hoặc thu hoạch của địa điểm. Từ các đầu vào đó nhà thiết kế tính dòng trung bình, dòng đỉnh và bể cần thiết, rồi chọn một hóa học mà trở kháng và hành vi chu kỳ của nó phù hợp.
Với lộ trình NiMH, bài viết tiếp theo chuyển cấu hình này thành thiết kế bộ pin – định dạng và số lượng tế bào, dung lượng so với mục tiêu tự chủ bóng tối, định cỡ bể tụ, quản lý sạc từ một bộ thu hoạch yếu và gián đoạn, lựa chọn tự xả thấp và bố cục nhiệt. Bài thứ ba bao gồm chương trình chứng nhận – hiệu năng IEC 61951-2, an toàn IEC 62133-2, kiểm tra vỏ và môi trường, tuân thủ thiết bị vô tuyến và vận chuyển – biến một nguyên mẫu khả thi thành một nút có thể triển khai thực địa một cách tự tin.
Weijiang Power thiết kế và sản xuất các tế bào niken-kim loại hydrua kín và các bộ pin công nghiệp phù hợp cho thiết bị từ xa, ngoài lưới và liên quan đến an toàn, và hỗ trợ các đối tác OEM bằng hồ sơ hiệu năng IEC 61951-2, bằng chứng an toàn IEC 62133-2, đặc tính tải xung, kiểm tra dải nhiệt độ rộng và đồng xác minh bộ sạc/bộ pin. Hãy cho chúng tôi biết chu kỳ nhiệm vụ, dòng đỉnh, đường bao nhiệt, mục tiêu tự chủ và các tiêu chuẩn sản phẩm của bạn phải đáp ứng, và các kỹ sư của chúng tôi sẽ chỉ định một tổ hợp tế bào-và-bộ pin bảo vệ thời gian chạy, độ tin cậy và tuổi thọ. Xem lại dải sản phẩm trên trang sản phẩm.
