Wi-Fi DAQ 디바이스의 배터리 선택

개요

NI Wi-Fi 데이터 수집 (DAQ) 디바이스는 토양 품질 검사에서부터 교량의 구조적 무결성에 이르기까지 여러 어플리케이션에 무선 연결을 제공하도록 설계되었습니다. NI WLS-9163 Wi-Fi C 시리즈 캐리어는 원격 어플리케이션에서 IEEE 802.11b/g 데이터 스트리밍을 위한 여러 C 시리즈 측정 및 제어 모듈을 지원합니다. 그러나 일부 어플리케이션은 무선 데이터 연결과 배터리 전원 공급이 필요합니다. 다음은 전원의 사용이 불가능할 때, Wi-Fi DAQ 디바이스의 배터리를 선택하는 방법에 대한 가이드입니다.

내용

어플리케이션 요구 사항 파악

모든 무선 데이터 수집 어플리케이션은 각기 다른 특성을 가지므로, 전원 조건도 다릅니다. 다음은 배터리를 선택하기 이전에 고려해야 할 몇 가지 주요 질문 사항입니다.

9-30 VDC 전원의 대체 소스가 사용가능합니까?

어플리케이션의 전원 옵션으로 배터리만 가능할 때가 있지만, 일부의 경우 배터리는 대체 전원 소스를 보완할 수 있으며 백업으로 사용되기도 합니다. 예를 들어 태양열 패널은 원격, 실외 어플리케이션을 위한 일반적인 전원 솔루션입니다. 패널은 지속적인 에너지 소스를 제공하지 않으며, 배터리는 태양열이 적거나 없을 때 전원을 제공합니다. 대부분의 상용 태양열 패널 솔루션에는 배터리와 충전 회로가 이미 포함되어 있습니다. 다른 어플리케이션의 예를 들면, 공장에서는 DC 전원이 데이터 케이블 드롭보다 더욱 편리하게 사용될 수 있습니다. 이러한 어플리케이션에는 대용량의 배터리가 필요하지 않습니다.

충전이 옵션이 될 수 있습니까?

여러 화학적 특성의 배터리가 있지만 (하단에서 설명) 배터리에는 기본적으로 일회용과 충전가능한 배터리의 두 종류가 있습니다. 일회용 배터리에는 흔히 사용되는 알카라인 AA는 배터리를 백업 전원 소스로 가끔 사용할 경우에 비용이 적게드는 장점이 있습니다. 그러나 충전 배터리를 주요 전원 소스로 사용한다면 장기적으로 더욱 경제적일 수 있습니다.

무선 DAQ 디바이스는 배터리 전원으로 얼마간 작동해야 합니까?

고려해야 할 가장 중요한 요소는 배터리를 이용하여 어플리케이션이 얼마나 지속적으로 작동하는가 입니다. 이 사항이 사용할 배터리의 유형과 크기에 영향을 미칩니다. Wi-Fi DAQ 디바이스가 소형-중형 배터리를 사용할 경우 몇 시간에서 하루종일에 이르는 시간 동안 작동이 가능합니다. 충전 (태양열 패널 등) 또는 주기적 실행이 불가능할 경우, 하루 이상 또는 몇 주에 걸쳐 어플리케이션을 실행하려면 더욱 대형의 배터리가 필요합니다.

배터리 종류의 선택

배터리에 에너지를 저장하는 방법은 여러가지가 있습니다. 오늘날 가장 보편적인 방식은 알카라인, 리튬 또는 NiMH(nickel metal hydride) 기반입니다. (납축전지와 니켈 카드뮴 전지는 오랜 기술로써 아직도 사용되고 있지만 중량, 수명 등에 있어 무선 데이터 수집 어플리케이션에 적합하지 않을 수도 있습니다.)

알카라인: 가장 보편적으로 사용되는 단일 사용 또는 일회용 배터리는 알카라인입니다. 상용화되어 가장 많이 쓰이는 AAA, AA, C, D, 9-V 배터리는 알카라인 기반입니다. 본 배터리는 저렴하며 저장이 편리하고 높은 에너지 밀도를 갖추고 있습니다. 그러나, 대부분의 알카라인 배터리는 일반적으로 1.2~1.5 V에 달하는 상대적으로 낮은 전압을 보유합니다. 9 VDC Wi-Fi DAQ 디바이스에 전원을 공급하려면 최소 8개의 배터리가 필요합니다. 물론 9-V 배터리는 예외적으로 8개의 배터리보다 용량이 훨씬 큽니다.

NiMH: 소비자 제품 중 가장 일반적인 충전용 배터리는 NiMH (니켈 금속 수소화물)입니다. 이 배터리는 동일한 표준 크기와 알카라인과 같은 전압 (AAA, AA, C, D, 등)으로 제공되며 비교적 낮은 용량입니다. 알카라인에 비해 NiMH의 장점은 배터리 수명에 비해 더욱 지속적인 전압 레벨입니다. 다른 충전식에 비해 상대적으로 가격도 저렴합니다. NiMH 배터리에 대한 잠재적인 단점은 보존 기간이 짧다는 것입니다. 실온에서 NiMH 배터리의 자기 방전 속도는 매일 1~2 퍼센트로, 이는 1년에 약 2퍼센트인 알카라인과 비교됩니다. 배터리를 더욱 낮은 온도 (영하)에 저장하면 이 수치를 낮출 수 있습니다.

Li-Ion: 노트북과 휴대폰 같은 휴대용 전자기기는 리튬 이온 (Li-Ion) 또는 리튬 폴리머 (Li-Poly) 배터리를 사용합니다. 본 화학성분은 낮은 자기방출 속도 (매달 5 퍼센트)와 높은 에너지 밀도 때문에 흔히 사용됩니다. Li-Ion 배터리는 동일 용량의 알카라인 또는 NiMH 배터리에 비해 더욱 경량입니다. 무선 데이터 수집 어플리케이션에 사용할 경우, 더욱 높은 전압 레벨이라는 추가 장점도 있습니다. (일반적으로 전지당 3.6 또는 3.7 VDC) 대부분의 Li-Ion 배터리는 산업 표준 18650 크기 (AA와 유사) 또는 납작한 사각형 모양 (핸드폰 또는 카메라)으로 사용됩니다. 그러나, Li-Ion은 불안정할 수 있기 때문에 대부분의 Li-Ion 배터리는 전류 조절 회로가 추가되어 11.1 VDC 또는 18.5 VDC와 같은 전압 레벨로 미리 설정되어 제공됩니다. Li-Ion 배터리는 또한 고가이며 다른 제품에 비해 물류 대기 시간 (배송 시간)이 더 소요됩니다.


화학성분

장점

단점

알카라인

저가
고용량
낮은 자기 방전
바로 사용가능

일회 사용
낮은 전압 레벨 (1.5 V)

NiMH

충전식
양호한 용량
바로 사용가능

낮은 전압 레벨 (1.2 V)
높은 자기 방전

Li-Ion

충전식
높은 에너지 밀도
높은 전압 레벨 (3.7 V)
낮은 자기 방전

고가
손상될 경우 위험
사용가능성

표 1. 각기 다른 배터리 화학성분은 Wi-Fi 데이터 수집 어플리케이션에 장단점을 제공합니다.


크기 선택

배터리의 크기와 무게는 용량, 에너지 밀도 및 전압 레벨에 의해 결정됩니다. 무선 데이터 수집 어플리케이션이 지속적으로 작동하는 시간은 배터리의 용량과 정비례합니다. 배터리 용량은 milliamp hours (mAh)로 측정됩니다. 예를 들어, 1000 mAh 배터리는 한 시간에 1 A 전류를 제공하며, 두 시간에 500 mA, 세 시간에 250 mA를 제공합니다. 에너지 밀도는 질량 단위당 용량을 정의하며 Wh/kg로 표시합니다. Li-Ion과 같은 높은 에너지 밀도가 있는 배터리는 NiMH와 같은 낮은 에너지 밀도가 있는 배터리에 비해 가볍습니다. 배터리 전지 전압 또한 전체 무게와 크기에 영향을 줍니다. 8개 NiMH 또는 알카라인 배터리가 대략 3개의 Li-Ion 배터리와 전압이 동일하기 때문입니다.

배터리 용량 조건

배터리의 전체 크기는 Wi-Fi 수집 어플리케이션의 조건 (사용하는 C 시리즈 모듈, 실행에 걸리는 시간, 선택한 전압 레벨)에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 모든 채널에서 풀 스피드로 수집하는 NI WLS-9234를 생각해봅시다. 배터리를 명기할 때에 최대 전류 사용과 연속 (보통) 전류 사용을 반드시 알아야 합니다. WLS-9163 캐리어에는 1.67 A의 초기 투입 최대 전류가 있습니다. 하단의 그림 1은 WLS-9234의 시작 순서이며 20초의 12 VDC 전원 공급 후 약 220 mA의 정적인 상태의 전류를 보여줍니다. (본 결과는 NI PXI-4110 프로그래밍 가능한 파워 서플라이를 사용하고 WLS-9234를 구성하여 이더넷 연결없이 WPA2 액세스 포인트로 인증을 획득하였습니다.)

그림 1. WLS-9234 부팅 과정은 12 VDC 전원, 약 220 mA의 정적 상태 전류의 전력 분포를 보여줍니다. (추가적인 전력 곡선을 아래에서 다운로드 가능합니다.)

4개 채널에서 51.4 kS/s 풀스피드로 수집시 NI WLS-9234는 연속적으로 평균 290 mA를 소비합니다. 본 디바이스를 배터리로 8시간 작동해야 하는 경우 최소 2320 mAh 용량의 배터리가 필요합니다.

다음 표는 모든 Wi-Fi DAQ 디바이스를 위한 일반적인 전원 소비를 요약해 놓았습니다. 본 문서에 첨부된 .zip 파일을 통해 전체 테스트 결과를 확인할 수도 있습니다.

 

평균 전류 사용 (12 VDC)

수집하지 않음

수집

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

표 2. Wi-Fi DAQ 디바이스의 일반적인 연속 전원 소비

각기 다른 화학성분의 전지에 대한 대략적인 배터리 수명을 간단하게 계산하는 방법이 있습니다. 첫째, 모든 배터리 구성이 정확하게 12 VDC는 아니므로, watt (W)와 watt hour (Wh)로 계산하는 것이 편리합니다. 상단 표 2의 결과에 12 V 곱하기를 하여 Wi-Fi DAQ 디바이스의 연속 전원 사용을 결정합니다. 그 후 배터리에 대한 Wh 용량 (mAh X 표준 전압)으로 나누어서 Wi-Fi DAQ 디바이스가 작동할 시간을 계산합니다.

예제 배터리 구성

예제 WLS-9234 어플리케이션에 대한 다음의 배터리 구성을 보십시오.

8x AA 알카라인 팩: 8개 AA 크기 알카라인 배터리(2000 mAh 용량과 1.2 V 평균 전압으로 연결)

8x AA NiMH 팩: 8개의 AA 크기 NiMH 배터리(2500 mAh 용량과 1.2 V 표준 전압으로 연결)

10x 4/3 A NiMH 팩: 10개 4/3 A 크기 NiMH 배터리 전지(4000 mAh 용량과 1.2 V 표준 전압으로 연결)

6x 18650 Li-Ion 팩: 6개 18650 크기 Li-Ion 배터리 전지(2400 mAh 용량과 3.7 V 표준 전압, 3/2 구성(세 개 전지로 연결된 두 개의 병렬 세트)

하단의 표 3은 모든 Wi-Fi DAQ 디바이스의 결과 요약입니다.

디바이스

8 AA 알카라인

8 AA NiMH

NiMH 4/3 A 팩

Li-Ion 18650 팩

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

표 3. Wi-Fi DAQ 디바이스의 예제 배터리 구성


연결

배터리를 선택하게되면 WLS-9163 캐리어에 배터리 연결이 간단해집니다. NI 9976 (파트 번호 196739-01) 스크류 터미널 액세서리 키트를 사용하여 전원에 연결하십시오. 또한 충전하려면 각 커넥터에 납을 꼬아서 연결해야 합니다.

요약

한 종류의 배터리가 모든 원격 및 휴대용 전원 어플리케이션에 적합할 수는 없습니다. 그러나 일정 정도의 계획을 통해 사용자의 모든 무선 데이터 수집 어플리케이션을 위한 맞춤 배터리 솔루션을 선택할 수 있습니다.

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