Auswahl einer geeigneten Batterie für Wireless-Datenerfassungsgeräte

Überblick

Aufgrund ihres modularen Aufbaus eignen sich die Wireless-Datenerfassungsgeräte von National Instruments für eine große Auswahl an Remote-Anwendungen – von der dezentralen Aufzeichnung von Umweltdaten bis zur verteilten Überwachung mechanischer Strukturen. Das Basismodul für die Wireless-Datenerfassung NI WLS-9163 nimmt Module der C-Serie auf, die über eine IEEE-802.11b/g-Verbindung Daten an einen Host übertragen. Einige Anwendungen erfordern jedoch zusätzlich zur drahtlosen Datenübertragung auch eine eigene, netzunabhängige Stromversorgung. Dieses Dokument dient als Leitfaden zur Auswahl einer geeigneten Batterie als netzunabhängige Alternative für Wireless-Datenerfassungsgeräte.

Inhalt

Evaluierung der Anwendungsanforderungen

Jede Wireless-Datenerfassungsanwendung hat andere Anforderungen an die Stromversorgung. Vor der Auswahl einer Batterie sollten folgende Fragen beantwortet werden:

Sind alternative Stromquellen mit 9 bis 30 VDC verfügbar?

In manchen Fällen ist Batteriestrom die einzige Option für eine Anwendung, während in anderen Fällen Batterien als zusätzliche Stromquelle bzw. als Backup dienen. Für Remote-Anwendungen in Außenbereichen werden häufig Solarzellen zur Stromversorgung eingesetzt. Da die Solarzellen nicht als konstante Energiequelle genutzt werden können, kommen in den Zeiträumen mit wenig bis keinem Sonnenlicht Batterien als Backup zum Einsatz. Die Mehrzahl der kommerziell erhältlichen Solarzellen verfügt bereits über Optionen für geeignete Batterien und Ladeschaltungen. Bei Anwendungen in der Produktion ist es möglich, dass DC-Stromquellen direkt verfügbar sind, was die Integration von Batterien überflüssig macht.

Ist die Batterie wiederaufladbar?

Es existieren verschiedene Batterietypen, die sich jedoch in zwei grundlegende Klassen einteilen lassen: Einwegbatterien und wiederaufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren. Einwegbatterien, wie die häufig eingesetzte Alkalibatterie AA, sind günstiger in der Anschaffung und eignen sich als Backup-Stromquelle für den gelegentlichen Gebrauch. Jedoch sind Akkumulatoren langfristig gesehen häufig wirtschaftlicher, wenn sie als Hauptstromquelle eingesetzt werden sollen.

Wie lange soll das Wireless-Datenerfassungsgerät mit Batteriestrom versorgt werden?

Die wichtigste Überlegung ist, wie lange eine Anwendung mit Batteriestrom betrieben werden soll. Davon hängt die Auswahl des Batterietyps und der Batteriegröße ab. Wireless-Datenerfassungsgeräte können mit kleinen bis mittelgroßen Batterien mehrere Stunden lang mit Strom versorgt werden. Anwendungen, die über mehrere Tage oder Wochen ablaufen, erfordern weitaus größere Batterien, sollten ein Wiederaufladen oder regelmäßiger Austausch nicht möglich sein.

Auswahl des Batterietyps

Es gibt mehrere Verfahren, Energie in einer Batterie zu speichern. Die gängigsten Batterietypen heutzutage basieren auf Alkali, Lithium oder Nickel-Metallhydrid (NiMH). (Ältere, jedoch immer noch genutzte Batterietypen enthalten Bleisäure und Nickel-Kadmium (NiCd). Allerdings eignen sie sich aufgrund des Gewichts und der Größe nur bedingt für Wireless-Datenerfassungsgeräte.)

Alkali: Der gängigste Typ für Einwegbatterien ist alkalibasiert und kommerziell erhältlich in den Typen AAA, AA, C, D und 9 V. Diese Batterien sind kostengünstig, lassen sich gut lagern und verfügen über eine hohe Energiedichte. Allerdings bieten die meisten Alkalibatterien nur eine relativ geringe Spannung, in der Regel zwischen 1,2 und 1,5 V. Aus diesem Grund wären für ein Wireless-Datenerfassungsgerät mit 9 VDC mindestens acht Batterien notwendig. Die Ausnahme hier ist eine 9-V-Batterie, allerdings haben diese Batterien eine wesentlich geringere Ladung.

NiMH: Der gängigste Akkumulatortyp bei Konsumartikeln enthält NiMH (Nickel-Metallhydrid). Diese Akkus sind in denselben Standardgrößen und -spannungen wie die Alkalibatterien (AAA, AA, C, D etc.) erhältlich und bieten ähnliche bzw. etwas niedrigere Ladungen. Der Vorteil von NiMH- gegenüber Alkalibatterien (neben der Wiederaufladbarkeit) liegt in einem konstanteren Spannungspegel über die gesamte Batterielebensdauer. Im Vergleich zu anderen Akkutypen sind sie zudem kostengünstig. Ein potenzieller Nachteil der NiMH-Akkus liegt jedoch in der kurzen Lagerzeit. Die Selbstentladungsrate für einen NiMH-Akku bei Zimmertemperatur liegt bei ca. 1 bis 2 Prozent pro Tag. Im Vergleich dazu liegt die Rate für Alkalibatterien bei 2 Prozent pro Jahr. Es ist möglich, den Entladeprozess zu verlangsamen, indem die Akkus bei niedrigeren Temperaturen (sogar um den Gefrierpunkt) gelagert werden.

Li-Ionen: Viele tragbare Elektronikartikel wie z. B. Laptops und Mobiltelefone nutzen Lithium-Ionen- (Li-Ion) bzw. Lithium-Polymer- (Li-Poly) Akkus. Diese Typen sind besonders weit verbreitet, da sie eine geringe Selbstentladungsrate (5 Prozent pro Monat) und eine hohe Energiedichte besitzen. Li-Ionen-Akkus sind leichter als Alkalibatterien oder NiMH-Akkus, bieten jedoch gleiche Ladungen. Für Wireless-Datenerfassungsanwendungen stellen sie zudem höhere Spannungspegel (in der Regel 3,6 oder 3,7 VDC pro Zelle) zur Verfügung. Die meisten Li-Ionen-Akkus sind in der Standardgröße 18650 (ähnlich AA) oder als flache rechteckige Zellen (in Mobiltelefonen oder Kameras) erhältlich. Da Li-Ionen-Akkus nach Beschädigung jedoch instabil werden können, sind die meisten standardmäßig mit Spannungen zwischen 11,1 und 18,5 VDC erhältlich und mit zusätzlichen Schaltungen zur Stromregulierung ausgestattet. Die Li-Ionen-Akkus sind zudem kostenintensiver und benötigen in der Regel längere Lieferzeiten.

Typ

Vorteile

Nachteile

Alkali

Kostengünstig
Hohe Ladung
Geringe Selbstentladungsrate
Einfach erhältlich

Einweg
Geringer Spannungspegel (1,5 V)

NiMH

Wiederaufladbar
Hohe Ladung
Einfach erhältlich

Geringer Spannungspegel (1,2 V)
Hohe Selbstentladungsrate

Li-Ionen

Wiederaufladbar
Hohe Energiedichte
Hoher Spannungspegel (3,7 V)
Geringe Selbstentladungsrate

Kostenintensiv
Gefahr bei Beschädigung
Schlechtere Verfügbarkeit

Tabelle 1: Vor- und Nachteile verschiedener Batterietypen für Wireless-Datenerfassungsgeräte

Auswahl der Größe

Größe und Gewicht einer Batterie werden von der elektrischen Ladung, der Energiedichte und der Spannung bestimmt. Die Einsatzdauer der Wireless-Datenerfassungsanwendung ist direkt proportional zur Batterieladung. Die Ladung einer Batterie wird in Ampere- (Ah) bzw. Milliamperestunden (mAh) angegeben. So liefert zum Beispiel eine Batterie mit einer Ladung von 1000 mAh 1 A Strom für eine Stunde (theoretisch, da Kapazität abhängig vom Entladestrom), 500 mA für zwei Stunden, 250 mA für vier Stunden usw. Die Energiedichte ist ein Parameter, welcher die Ladung pro Masseeinheit in Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) festlegt. Eine Batterie mit hoher Energiedichte, wie der Li-Ionen-Akku, wiegt bei gleicher Ladung weniger als eine Batterie mit geringer Energiedichte, wie NiMH. Die Spannung der Batteriezellen hat ebenfalls Einfluß auf das Gewicht und die Größe. Acht NiMH- bzw. Alkalibatterien verfügen grob über dieselbe Spannung wie drei Li-Ionen-Akkus.

Anforderungen an die Batterieladung

Die Gesamtgröße der Batterie hängt zum großen Teil von den Anforderungen der Wireless-Datenerfassungsanwendung ab, u. a. vom eingesetzten C-Serien-Modul, der Ausführzeit der Anwendung und der Spannung. Als Beispiel dient hier das NI WLS-9234, welches alle Kanäle mit der vollen Geschwindigkeit erfasst. Bei der Auswahl der Batterie ist es wichtig, sowohl den Spitzenstromverbrauch als auch den kontinuierlichen (normalen) Stromverbrauch zu kennen. Das Gehäuse WLS-9163 verfügt über einen maximalen Einschaltstrom von 1,67 A. Abbildung 1 zeigt die Einschaltsequenz für das WLS-9234 mit einem stationären Strom von 220 mA nach 20 Sekunden mit einem 12-VDC-Netzteil. (Diese Ergebnisse wurden mit dem programmierbaren Netzteil NI PXI-4110 und dem WLS-9234, konfiguriert als WPA2-Access-Point ohne angeschlossenes Ethernet, ermittelt.)

Abb. 1: Die Boot-Sequenz des WLS-9234 zeigt ein Leistungsprofil mit einem stationären Stromverbrauch von 220 mA mit einem 12-VDC-Netzteil. (Im Abschnitt Downloads finden Sie weitere Leistungskurven.)

Werden auf allen vier Kanälen mit der vollen Geschwindigkeit von 51,4 kS/s Daten erfasst, verbraucht das WLS-9234 kontinuierlich ca. 290 mA. Wird das Gerät acht Stunden lang mit Batteriestrom betrieben, muss die Batterie demzufolge eine Ladung von mindestens 2320 mAh haben:

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über den typischen Stromverbrauch für NI-Wireless-Datenerfassungsgeräte. Die vollständigen Testergebnisse entnehmen Sie der .zip-Datei im Abschnitt Downloads.

 

Durchschnittlicher Stromverbrauch (12 VDC)

Nicht erfassend

Erfassend

NI WLS-9234

220 mA

290 mA

NI WLS-9219

226 mA

233 mA

NI WLS-9237

248 mA

285 mA

NI WLS-9215 BNC

232 mA

274 mA

NI WLS-9211

205 mA

207 mA

Tabelle 2: Typischer kontinuierlicher Stromverbrauch von NI-Wireless-Datenerfassungsgeräten.

Die Berechnung der ungefähren Batterielebensdauer für die verschiedenen Batterietypen gestaltet sich recht einfach. Da nicht alle Batteriekonfigurationen genau 12 VDC zur Verfügung stellen, ist es sinnvoller, die Berechnungen mit Watt (W) und Wattstunden (Wh) durchzuführen. Die Ergebnisse in Tabelle 2 müssen dazu nur mit 12 V multipliziert werden, um den kontinuierlichen Stromverbrauch für das jeweilige Wireless-Datenerfassungsgerät zu ermitteln. Das Ergebnis muss anschließend noch auf die Wh-Kapazität (mAh x nominale Spannung) der Batterie bezogen werden, um festzustellen, wie lange das Datenerfassungsgerät betrieben werden kann.

Bespielkonfigurationen

Folgende Batteriekonfigurationen gelten für das WLS-9234:

8 x AA-Alkalibatterien: Acht Alkalibatteriezellen der Größe AA mit einer Ladung von 2000 mAh und einer durchschnittlichen Spannung von 1,2 V in Serie geschaltet.

8 x AA-NiMH-Akkus: Acht NiMH-Akkuzellen der Größe AA mit einer Ladung von 2500 mAh und einer nominalen Spannung von 1,2 V in Serie geschaltet.

10 x 4/3-A-NiMH-Akkus: Zehn NiMH-Akkuzellen der Größe 4/3 A mit einer Ladung von 4000 mAh und einer nominalen Spannung von 1,2 V in Serie geschaltet.

6 x 18650-Li-Ionen-Akkus: Sechs Li-Ionen-Akkuzellen der Größe 18650 mit einer Ladung von 2400 mAh und einer nominalen Spannung von 3,7 V in einer 3/2-Konfiguration (zwei parallele Sets mit jeweils drei Zellen in Serie).

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse für NI-Wireless-Datenerfassungsgeräte.

Gerät

8 AA Alkali

8 AA NiMH

NiMH 4/3 A

Li-Ionen 18650

NI WLS-9234

5,5 h

6,9 h

13,8 h

15,3 h

NI WLS-9219

6,9 h

8,6 h

17,2 h

19,1 h

NI WLS-9237

5,6 h

7,0 h

14,0 h

15,6 h

NI WLS-9215

5,8 h

7,3 h

14,6 h

16,2 h

NI WLS-9211

7,7 h

9,7 h

19,3 h

21,4 h

Tabelle 3: Beispielbatteriekonfigurationen für Wireless-Datenerfassungsgeräte.

Anbindung

Die Anbindung der ausgewählten Batterie(n) an das Gehäuse WLS-9163 gestaltet sich relativ einfach. Zu diesem Zweck bietet NI ein Zubehörkit mit Schraubklemmenanschlüssen (NI 9976, Artikelnummer 196739-01) an. Die Verbindungen müssen zum Wiederaufladen eventuell auf einen anderen Anschluss verteilt werden.

Fazit

Es gibt keine Universalbatterie zum Einsatz in allen Remote- oder tragbaren Anwendungen. Allerdings lässt sich unter Berücksichtigung einiger Auswahlkriterien eine Batterielösung für alle Wireless-Datenerfassungsanwendungen finden.

Weitere Ressourcen

Wireless-Datenerfassung mit NI-Produkten

Spezifikationen für Energizer-Batterien