Применение аккумуляторов в GNSS/GSM трекерах

По негласному мнению экспертов поломка аккумулятора является причиной каждого второго отказа среди мобильных устройств. Как показывает практика, от ошибок не застрахованы даже лидеры электронной отрасли, взять хотя бы казус с самовозгоранием элементов питания Galaxy Note 7. Тем не менее, минимизировать число отказов можно за счет грамотного выбора элементов питания, и при соблюдении ряда правил во время эксплуатации. Данная статья посвящена особенностям выбора аккумуляторов для трекеров на примере продукции компаний Queclink и EEMB.

Когда у одного из ведущих разработчиков химических источников тока спросили, какой же тип элементов питания лучше, он резонно ответил, что все зависит от конкретного приложения. Где-то требуется высокий пиковый ток, где-то критичными будут масса-габаритные показатели и удельная емкость. Особые требования к аккумуляторам есть и у трекеров.

В настоящее время трекеры используются для определения координат самых разнообразных объектов: от самолетов и кораблей, до автомобилей и людей. При выборе аккумуляторов для каждого из перечисленных приложений необходимо учитывать особенности их эксплуатации и характеристики окружающей среды. Такие параметры как влажность, давление, рабочий диапазон температур играют не меньшую роль, чем емкость, ток разряда и номинальное напряжение. Прямое влияние на срок службы элементов питания оказывают и условия эксплуатации: глубина и периодичность заряда, параметры хранения и т.д.

Эксплуатация аккумуляторов в составе трекеров имеет три ключевых особенности: работа в активном или буферном режиме, широкий диапазон рабочих температур, преимущественно импульсная нагрузка.

Автономный и буферный режим работы аккумуляторов в трекерах

Аккумуляторы могут быть основным или вспомогательным источником питания для трекеров (рисунок 1).

Рисунок 1 – Примеры использования аккумуляторов в различных трекерах

Есть трекеры, которые предназначены в первую очередь для автономной работы. Это, как правило, простые модели с небогатым функционалом (например, GL300 и GL500). В них аккумуляторы являются основным источником питания и работают в активном режиме. Более продвинутые в функциональном смысле устройства имеют значительный уровень потребления и в штатном режиме получают питание от бортовой сети (например, GV300 и GV55). В них аккумуляторы выступают в качестве буферных источников и активируются только в случае аварийных ситуаций или, например, при смене автомобильного аккумулятора. Очевидно, что для различных типов трекеров требования к элементам питания будут разными.

При работе аккумулятора в автономном режиме производители рекомендуют заряжать их как можно чаще, и не допускать полного разряда. Согласно практическим исследованиям существует зависимость числа циклов заряда-разряда от глубины разряда аккумулятора. Эта зависимость строится в виде кривой Вёлера (Wöhler) и имеет форму близкую к гиперболе. Чем больше глубина разряда, тем меньшее количество циклов «проживет» аккумулятор. Поэтому рекомендуется не ждать пока батарея устройства сядет до критического уровня, а заряжать ее при первой возможности. Одновременно с этим существует рекомендация по перезаряду аккумулятора раз в три месяца. Это связано с необходимостью калибровки и корректировки зарядных кривых.

При работе аккумулятора в качестве буферного источника питания он практически всегда заряжен до максимального уровня, который задается зарядным устройством. Такой режим фактически соответствует режиму хранения. В таком случае следует помнить о советах производителей по уровню заряда при хранении. Например, для серии аккумуляторов LC от компании EEMB перед длительным хранением рекомендуется произвести сначала зарядку, а потом разрядку током 0,2 С до уровня 50-70%. Такая рекомендация связана с уровнем саморазряда. Как показывает практика, чем меньше уровень заряда, тем медленнее идет процесс саморазряда. Однако, хранение при заряде 10% не практично, по этой причине выбирают компромиссное значение 30…70%. Такое условие приводит к особым требованиям к зарядному устройству – оно должно соответствующим образом формировать зарядные кривые и не допускать перезаряда.

Еще одна особенность работы аккумуляторов в трекерах заключается в наличии ярко выраженной импульсной нагрузки. Определение координат и посылка сообщений происходит не постоянно, а периодически. Большую часть времени трекер находится в состоянии спячки, пробуждаясь для очередного цикла измерений и обмена, в течение которого ток потребления значительно возрастает. Чем чаще происходит получение и передача данных, тем больше затрачивается энергии, и тем быстрее произойдет разряд аккумулятора. Для простых устройств (GL300 и GL500) нужды в большом пиковом токе нет. Для мощных трекеров (GV300 и GV55) величина тока должна быть значительной. Для случаев максимальной импульсной нагрузки используют специальные аккумуляторы, такие, например, как серии «HA», «HB», «НС», «HD» от EEMB.

Особенности работы аккумуляторов в широком диапазоне температур

При выборе аккумулятора огромную роль играет температурный режим эксплуатации конечного оборудования.

Трекеры, используемые для отслеживания положения людей, как правило, имеют достаточно узкий рабочий диапазон температур. Например, портативная модель GL300 предназначена для работы в диапазоне -20…+55°С. GL300 можно использовать и при более низких температурах, если располагать его под одеждой, тем более, что он без проблем умещается во внутреннем кармане куртки.

Недавно на сайте разработчиков появилась новость, что GL300 были использованы в качестве маячков в спортивном ралли-рейде в Норвегии. Они не устанавливались на автомобиль стационарно, а выдавались экипажам на время соревнований. Реальные трекеры для автомобильных приложений должны иметь гораздо более широкий диапазон рабочих температур.

Как известно, автотракторное электрооборудование должно отвечать требованиям отраслевых стандартов. Так, например, общие требования приведены в ГОСТ Р 52230-2004. В нем в частности устанавливаются рабочие диапазоны температур в зависимости от места установки устройств. Например, изделия, устанавливаемые в кабине или закрытом кузове, должны сохранять работоспособность при температурах вплоть до -45°С для исполнения У (умеренный климат) и до -60°С для УХЛ (умеренный и холодный климат). Это касается, в том числе, и автомобильных трекеров, предполагающих питание от бортовой сети и стационарно устанавливаемых на кузове. Таким образом, на выбор элемента питания влияет географический район применения трекера.

Диапазон рабочих температур – сверхважный параметр для литиевых аккумуляторов по целому ряду причин.

• Во-первых, перегрев приводит к выходу элементов питания из строя, а в худшем случае и к взрыву. Обычно верхняя граница для литиевых аккумуляторов составляет +60…+85°С. Этого вполне достаточно для автомобильных приложений, в которых требования по температуре ограничены значением +55°С. То есть от разработчиков требуется обеспечивать нормальный теплоотвод от аккумулятора.
• Во-вторых, диапазон допустимых температур для заряда аккумулятора оказывается более узким, чем диапазон разряда. Например, стандартные аккумуляторы серии LP от EEMB могут разряжаться при -40…+ 60°С, а вот заряжаться только при 0…+ 45°С. Специальная серия LC может заряжаться с эффективностью 70% при температурах до -10°С.
• В-третьих, при низких температурах емкость аккумулятора стремительно падает. Например, для стандартных моделей емкость снижается до 83% при -20°С (рисунок 2). У низкотемпературной серии LC емкость уменьшается лишь до 93% при той же температуре.

Рисунок 2 – Сравнение эффективности работы стандартных аккумуляторов LP и аккумуляторов LC при низких температурах

• В-четвертых, для аккумуляторов, работающих в буферном режиме, низкие температуры создают дополнительные трудности (рисунок 3). Даже для низкотемпературной серии LC степень саморазряда достигает 50% при температурах -40°С.

Рисунок 3 – Саморазряд низкотемпературного аккумулятора LP505597LC

Примеры выбора аккумуляторов для различных трекеров

Приведем несколько конкретных примеров выбора аккумуляторов для различных моделей трекеров.

GL300 – водонепроницаемый ГЛОНАСС/GPS трекер с поддержкой GSM. Работает в автономном режиме и комплектуется LiPo аккумулятором 1300 мАч. Диапазон температур для этой модели составляет -20…+ 55°С. Для данного трекера подойдут стандартные аккумуляторы LP от EEMB, в частности LP883048 и LP603560 с емкостью 1300 мАч и диапазоном -20…+ 60°С.

GL500 – автономный трекер для отслеживания людей и грузов, который предполагает питание от трех литиевых батарей CR123A 1500 мАч. Диапазон рабочих температур для него составляет -20…+ 60°С. Таким требованиям, удовлетворяют батареи CR123ASL емкостью 1500 мАч и температурным диапазоном -40…+ 85°С.

GV300 и GV55 – трекеры, использующие для питания в штатном режиме бортовую сеть автомобиля 8…32 В и работающие в диапазоне -30…+ 80°С. Диапазон температур хранения для них составляет -40…+ 80°С. Штатно они комплектуются LiPo аккумуляторами 250 мАч. Для такого широкого диапазона возможно использовать низкотемпературный аккумулятор LP502030LC-PCM-LD от EEMB. Его емкость составляет те же 250 мАч, а рабочий температурный диапазон (разряда) -40…+ 60°С.

Заключение

При выборе аккумуляторов для трекера необходимо учитывать не только значения емкости, напряжения и тока, но и другие параметры элементов питания и особенности их эксплуатации. Наиболее важными дополнительными факторами в данном случае будут предполагаемый режим работы (активный или буферный) и диапазон рабочих температур.

* Статья предоставлена компанией Компэл.