Alkalische Batterieleistung bei -30 Grad Celsius

Ich mache ein IoT-Projekt und plane, es mit Alkalibatterien zu betreiben. Ihre Sicherheit und niedrigen Kosten sind wirklich ansprechend. Ihre geringe Entladefähigkeit ist kein Problem. Die Batterien müssen in der Lage sein, einen Aufwärtswandler mit 500 mA zu versorgen, jedoch nur für Sekunden pro Woche. Für die ganze Zeit außer diesen wenigen Sekunden müssen die Batterien ungefähr 10 uA liefern.

Mein einziges Problem ist die Temperatur. Das Gerät muss bei Temperaturen von -30 Grad Celsius betrieben werden. Ich kann keine umfassende Quelle für die Auswirkungen von Alkalibatterien finden, die bei dieser Temperatur betrieben werden. Ein Beispiel für die Leistung bei niedrigeren Temperaturen finden Sie im Diagramm für Duracell AA Coppertop:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Energieverlust sieht dort nicht allzu schlimm aus. Eine andere Quelle ist weniger optimistisch, insbesondere bei niedrigeren Temperaturen wie meinen erforderlichen -30 ° C:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Unter idealen Bedingungen halten die Batterien Jahre, basierend auf der Stromaufnahme meines Projekts. Wenn es jedoch der kälteste Monat des Winters ist und sie durchschnittlich -10 ° C mit einem Minimum von -30 ° C aushalten müssen, könnte ich akzeptieren, wenn sie nur 1 Monat überleben. Außerdem müssen sie noch bis zu 500mA liefern können. Basierend auf dieser Grafik,Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es scheint wahrscheinlich, dass dies bei einer Änderung des Innenwiderstands von 0,2 Ohm bei Raumtemperatur auf 0,5 Ohm bei -30 ° C wahrscheinlich möglich ist, aber ich bin mir auch nicht sicher.

TLDR

Ich würde mich freuen, wenn jemand mit Erfahrung mit Alkalibatterien seine Meinung zur Machbarkeit von Alkalibatterien abgibt, die die Mindesttemperatur von -30 ° C und die Durchschnittstemperatur von -10 ° C mindestens einen Monat lang überstehen und gleichzeitig 500 mA für einige Sekunden liefern können . Nicht alle Batterien sind gleich, also werden vielleicht einige Alkalibatterien in der Lage sein, meine Bedürfnisse zu erfüllen, während der Durchschnitt es nicht ist?

Verwenden Sie entweder eine Batterie, die ihr Verhalten über den erforderlichen Temperaturbereich spezifiziert, oder wenden Sie sich an den Hersteller und fragen Sie nach Spezifikationen, wenn sie diese haben, aber nicht in ihren vereinfachten Dokumenten veröffentlicht haben. Es gibt Zeiten, in denen Sie beabsichtigen, ein Gerät außerhalb seines Spezifikationsbereichs und über alles hinaus zu verwenden, was der Hersteller darauf hat. (Ich habe das mit Teilen von Burr Brown gemacht.) In solchen Fällen spreche ich mit einem der leitenden Designer des Teils. Sie können die Details nachschlagen und Ihnen eine fundierte Meinung geben. Das ist oft gut genug.
Sie müssen in der Nähe von Winnipeg bei -30 ° C in meiner Heimatstadt sein. Sie benötigen spezielle $-Batterien oder reduzieren die Kapazität stark. Wir haben Silberoxid-Packungen in den 70er Jahren bis -50 °C verwendet
In meinem Fall hat der BB-Designer einfach die von ihm entwickelten IC-Masken aufgerufen, die aluminisierten Leiterbahnbreiten für mich nachgeschlagen und einen Schwachpunkt entlang des Pfades gefunden, der ihm vor meiner Frage nicht bewusst war. Er hat dann die Einschränkungen dieser Schwachstelle für mich nachgeschlagen (sie hatten Tabellen und dergleichen) und mir seine Meinung über den maximalen Strom mitgeteilt, den ich an ihrem Eingang verwenden könnte, ohne eine übermäßige Metallmigration und eine eventuelle Zerstörung dieses Spurensegments zu riskieren. Er konnte mir auch sagen, wie weit ich es bringen könnte und was es mich kosten würde, bezogen auf die Lebensdauer des Teils.
Sie könnten sich NiCd-Typen ansehen. Sie sind oft so spezifiziert, dass sie bei etwas niedrigeren Temperaturen (etwa -40 ° C, wie ich gesehen habe) gut funktionieren. Sie haben wahrscheinlich weniger als 50% ihrer Nennkapazität und können nur bei vielleicht 0,2 ° C entladen werden. Aber zumindest einige haben eine Spezifikation. Und sie werden nicht beschädigt, wenn sie doch zufrieren. Was nett ist.
Ein Lieblingszitat, das ich irgendwo gehört habe: Eine Batterie ist eine nichtlineare Funktion von allem . Mit anderen Worten, alle Vorhersagen sind verdächtig; Die einzige Möglichkeit, dies wirklich zu wissen, besteht darin, es mit Ihrem genauen Entladungsprofil zu testen. Ich würde sagen, 500 mA für ein paar Sekunden aus einer AA bei diesen kalten Temperaturen sind ein bisschen weit hergeholt, aber vielleicht könnte Sie Ihr sehr niedriger Arbeitszyklus retten. Meine persönliche Erfahrung ist, dass alle Alkalibatterien der großen Typen (Energizer, Duracell, Rayovac) in ihrer Leistung ziemlich gleich sind; Es gibt keine wirklichen Herausragenden.
Sie müssen diese testen und dann auswählen. mit Trockeneis in einer Box. dort gewesen ... getan
Ich kann viel Geschichte in Winnipeg mit Batterien teilen, aber vielleicht haben sie sich ein wenig verbessert. Ich bezweifle, ob es im Durchschnitt besser ist als mein Diagramm, und Panasonic ist am besten
Möglicherweise können Sie den Anstieg des ESR abmildern, indem Sie mit viel Kapazität parallel schalten, um die Impulse mit hohem Stromverbrauch zu bewältigen. Überprüfen Sie jedoch auch deren Temperaturspezifikation, wenn Sie dafür Elektrolyte oder Supercaps verwenden.
@Neil_UK Ich habe über Kapazität nachgedacht. Es ist eigentlich eine ziemlich gute Lösung, denn ich könnte den Kondensator in meiner einwöchigen Ausfallzeit gemächlich von einer schwachen Batterie (wie einem Silberoxid) aufladen und dann die gesamte Last über den Kondensator mit Strom versorgen. Das einzige Problem ist, dass ein Superkondensator, der 10 s x 250 mA x 3,3 V Energie liefert, bei Digikey etwa 4 bis 5 US-Dollar kostet. Dieser Preis ist ziemlich unerwünscht, ich würde es vorziehen, wenn das Batteriesystem eher 1 US-Dollar kosten würde. Aber wenn ich ein Profil mache und feststelle, dass meine Energie geringer ist als ich annehme (was ich für wahrscheinlich halte), dann könnte ich mich für diese Lösung entscheiden.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Das ist ein guter Punkt zum Cold-Testing. Ich habe ein altes Spray, das die Elektronik auf -50 herunterkühlen soll, aber es ist möglicherweise nicht zum Kühlen von etwas so Großem wie einer Batterie geeignet, es ist wahrscheinlich nur für dünne SMT-Komponenten.
Meine Methode ist billig und ausgezeichnet. Früher kostete es 1 US-Dollar pro Pfund für Trockeneis in Papier von jeder Molkerei. Dann eine Picknickbox und ein winziger Muffinfächer mit Thermoelement im Inneren. -40 Luft mit ein paar Steinen und -55 Kontakt. brauchte keinen Tenny-Ofen für 20 Riesen

Antworten (2)

Jeder Hersteller einer Batteriechemiekategorie wird versuchen, das Temperaturverhalten seiner kommerziellen Technologien zu bewerten, da ihm dies einen neuen Markt eröffnen könnte, der es wert ist, verfolgt zu werden. (Oder teilen Sie ihnen mit, welche Märkte sie NICHT verfolgen sollen.) Einige Batterietypen funktionieren nicht einmal, bis die Temperatur vorbei ist 60 ∘ C . Das mag zwar schlecht erscheinen, ist aber auch gut, da dies in einigen heißen Gebieten der Welt bedeutet, dass die Batterie gut konserviert wird, bis die Temperatur etwas erhöht wird. (Sie haben eine schöne "Haltbarkeit" in heißen Klimazonen.)

Die wohl am besten erforschte und am häufigsten empfohlene Batterietechnologie für niedrige Temperaturen im Freien − 30 ∘ C Bereich ist die NiCd-Chemie. Diese Typen wurden bis hin zum Betrieb gut charakterisiert − 40 ∘ C und die Dokumentation über ihre Verwendung bei kalten Temperaturen reicht viele Jahrzehnte zurück. So viel Erfahrung mit der Verwendung in kalten Situationen, um Ihre Entscheidung zu treffen.

Da ihr Elektrolyt beim Entladen nicht verdünnt wird, bleibt die Gefriertemperatur bei etwa − 83 ∘ C unabhängig vom Entladungszustand. Und NiCd-Akkus können immer noch vielleicht ein Viertel bis ein Drittel ihrer Nennkapazität liefern (ich habe Diagramme gesehen, die bis zu 40 % zeigen), wenn sie bei − 40 ∘ C . Bemerkenswerterweise können sie auch bei diesen niedrigen Temperaturen aufgeladen werden und werden durch Überladung (oder Unterladung) nicht beschädigt (Allerdings kann eine Überladung immer noch zu einem gewissen Gas- und Wasserverlust führen). Das sind sie nicht beschädigt, wenn sie einfrieren (gehen Sie unten − 83 ∘ C .)

Natürlich sind sie in einer anderen Kategorie als alkalisch. (Primär vs. sekundär.) Daher ist es in Ihrem Fall möglicherweise immer noch nicht anwendbar. Aber da Sie nur gelegentliche Stromimpulse erwähnen (die NiCd gut verarbeiten kann) und eine angemessene Betriebsdauer erwähnen, denke ich, dass Sie immer noch feststellen werden, dass eine leicht verfügbare Version von NiCd Ihre Anforderungen erfüllt. Da würde ich anfangen. Sehen Sie, wohin es Sie führt.

Es gibt eine Veröffentlichung namens "Cold Regions Technical Digest", in der einige dieser Details behandelt werden. Es gibt auch andere Quellen, die ich benutzt habe, um den obigen Text zu schreiben.

Ich denke, NiCd könnte der richtige Weg sein. Ich war wegen der hohen Selbstentladungsrate (20%) pro Monat dagegen. (auch dagegen, weil es giftiger als alkalisch ist) Aber wenn ich die Winterbatterien nur auf eine Lebensdauer von mindestens einem Monat beschränke, dann bricht das nicht meine Beschränkungen. In wärmeren Monaten könnte ich im gleichen Formfaktor (wie AA oder AAA) auf Alkali wechseln und theoretisch das ganze Jahr mit 1-3 Batteriewechseln durchhalten.

Sie benötigen spezielle $ Batterien und Kapazitätsreduzierung. Eine Menge!

Wir haben Silberoxid-Packungen in den 70er Jahren bis -50 °C verwendet

Silberoxid-Typen sind die beste Wahl. Sie werden tatsächlich in VIELEN Größen hergestellt, aber $$.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dieser ist kostengünstig.

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https://data.energizer.com/PDFs/silveroxide_appman.pdf

  If you can insulate and keep near earth in a protected structure and increase some capacity.

  There's no free lunch at -30'C.  Just bring hot choco., with heavy down-filled jacket, hat and feather/down or sheepskin filled mitts.  With no wind, it's really quite pleasant in the sun.

  • Aber Sie *werden** mehr Kapazität benötigen, als Sie in Ihrem Energiebudget geplant haben. Erwägen Sie mindestens x32.

  • Andernfalls kann Ihr Gerät im Februar bei -30 °C für einige Wochen oder länger offline sein. Das heißt, es sei denn, Sie verwenden eine Super-High-Gain-Antenne (6 ~ 10 dB) und reduzieren die Sendeleistung.

Das wäre mein Vorschlag. Vertrauen Sie mir darauf. Ich habe 40 Jahre Erfahrung mit schwachen Batterien -30 ° C bis -40 ° C und gelernt, damit umzugehen.

Warnung:

Unter 0 ° C verlieren alle diese Arten von Batterien an Kapazitätsanstieg und steigen im ESR (effektiver Serienwiderstand) für Kaltstartimpulse - genau wie CCA in Blei-Säure, wo sie die Autobatterien für CCA bewerten, indem sie Vbat auf 7,5 V senken also ESR = (12,5-7,5)CCA. So machen sie es. Dann fällt die geladene Spannung von der Last ab, R-Verhältnis.

(R/(ESR+R)*Vbat=Vbat' (Ladeimpuls)

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Diese Batterie erfüllt meine Temperaturbeschränkung, was großartig ist, aber es wäre wirklich schwierig, 500 mA aus ihnen herauszuholen. Es scheint, als wäre eine Silberoxidbatterie nicht dafür gedacht, viel mehr als 0,2 mA aus einigen Quellen zu liefern, die ich nachgeschlagen habe. Ich müsste für die Impulse parallel einen Superkondensator verwenden. Aber wie ich in meiner Antwort auf @Neil_UK oben sagte, ist dies keine schlechte Lösung. Es ist wahrscheinlich nur teurer, und die Kosten sind ein starkes Kriterium bei diesem Projekt.
Bill, sie machen auch AA-Zellen ähnliche Größen, nicht nur Knöpfe. Schwer zu finden, mehr $$ aber Arbeit. Wir haben in den 70er Jahren handgroße Schachteln mit SiO2-Batterien verwendet. Aber Kapazität vs. $ vs. -T sind große Kompromisse, die hier von op übersehen werden
Alkalische Batterieleistung bei -30 Grad Celsius
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