bolyongó - ob121

liion_akkumulatorok

anonymous@undisclosed.example.com (Anonymous) — Sat, 15 Aug 2020 22:00:08 +0000

LiIon akkumulátorok

A lítium akkumulátor célú alkalmazását, illetve annak a lehetőségét először a 70-es években a müncheni Technikai Egyetemen (TU München) tárták fel. Sok időnek kellett eltelnie, hogy a LiIon tárolók valóban piacra is kerüljenek, erre a 90-es évektől fokozatosan került sor. A lítium bázisú tárolók sok kémiai összetétellel is alkalmazásra kerülnek, így a leggyakoribb lítium-kobalt-dioxid-akkumulátorok (LiCoO2 – LCO) mellett megtalálhatók a lítium-mangán-dioxid (LMO), és a lítium-foszfát-akkumulátorok (LFP), ritkábban pedig a lítium-titanát (LTO) és az ón-kén-lítiumion akkumulátorok is. A fizikai jellemzőik nagyjából megegyeznek ezeknek, azaz a fajlagos energiatárolási kapacitásuk 150 Wh / kg, energiasűrűségük 400 Wh / l körül alakul.

A LiIon akkumulátorok nem igazán képesek megbirkózni a túltöltessél és a túlmerítéssel sem, így alkalmazásuk során szinte minden esetben védő-elektronikát (BMS – battery management system) igényelnek. A túlmelegedés az egyik gyenge pontja a típusnak, ugyanis 180 fok felett olyan kémiai reakciók indulnak be a tárolókban, amik azoknak a felrobbanásához vezethetnek.

A tárolókban nem keletkeznek kristályok, így ez az akkumulátor típus nem hajlamos a memória-effektusra. A LiIon bázisú akkumulátorok sok előnye mellett soha nem szabad elfelejteni a hátrányukat, hogy tűzveszélyesek túltöltés és fizikai sérülések esetén!

Az akkumulátorok túlmerítése szintén a telepek tönkremenetéhez vezet, így a gyártók jellemzően egy túlmerítés-védelmet (Low Voltage Cutoff – LVC) is beépítenek az egységeikbe. Ezek az akkumulátor tápvezetékét szakítják meg akku-üzemben, ha a feszültség a 3,2V-os szintet alulhaladja. Ez persze vagy működik, vagy nem, így érdemes a túlmerítést a felhasználói oldalról is valamilyen hardveres megoldással tiltani.

A harmadik védelmi lehetőség (amit a komolyabb töltők tudnak) a hőmérséklet-felügyelet (Positive Temperature Coefficient Switches: PTC), és az erre épülő töltés közbeni leoldás-védelem.

Ezeket a védelmeket együttesen töltésmegszakító egységeknek, azaz Charge Interrupt Devices (CID) szokás nevezni.

Lítium-ion akkumulátor

A LiIon akkumulátorokban a katód (pozitív pólus) tartalmazza a lítium vegyületeket, a negatív pólus általában grafitból (vagy valamilyen szénvegyületből) áll. A membránon a lítium-ionok szabadon átjárhatnak, töltéskor az anód, áramleadás idején a katód felé áramlanak az elektrolitban. Az elektrolit lítium-hexafluorofoszfát (LiPF6), vagy kevésbé korrodáló lítium-tetrafluoroborát (LiBF4) oldatából áll.

Lítium-polimer akkumulátor

A LiPo, vagyis lítium-polimer akkumulátor egy speciálisan kialakított Li-Ion tároló. Ebben az esetben a Li-Ion folyadék elektrolit konstrukciót egy szilárd, zselatinos (polimer-alapú) fóliával cserélték le, és ez az átalakítás a tároló fizikai jellemzőire is jelentős hatással van. Összetételük miatt a LiPo cellák sokkal sokoldalúbban alakíthatók ki, és robbanásra is kevésbé hajlamosak, viszont energiatárolási kapacitásuk jóval alacsonyabb a LiIon akkumulátoroknál.

A Li-Ion és LiPo tárolók összehasonlítása

Kivitelezés

A legjellemzőbb megjelenési formái a Li-Ion akkumulátoroknak:

Lapos tasakcellák: Ezek lapos kivitelezésű, alumíniumozott polimer fóliába csomagolt cellák, jellemzően (kizárólag) LiPo egységek, melyek formájuk okán könnyen integrálhatók mobiltelefonokba, fényképezőgépekbe, e-book-olvasókba,..

Hengeres kivitel: A két elektródát és az elektrolit zselét egymásra rétegezik, majd feltekercselik hengerré. Ezek a hengerek egységes (normalizált) méretűek:

A számozás ezeknél a tárolóknál két részből áll össze: először a henger átmérője, aztán a hossza (milliméterben) jellemzi a tároló méretét. A leggyakrabban alkalmazott 18650 például 18 mm átmérőjű és 650 mm magas.

Névleges kapacitás

A telep kapacitását, azaz, hogy mennyi villamos energiát képes betárolni, Amperórában (Ah), vagy ennek az ezredrészében, milliamper-órában (mAh) szokás megadni. A névleges és a valós kapacitás eltérési aránya nagyon sok paramétertől függ, pl. az akkumulátor életkora, használati ciklusok száma, környezeti hőmérséklet, gyártó lódítási rátája, így azt lehet mondani, hogy a valós kapacitás csak a használat során fog kiderülni.

C-ráta

A kisülési ráta (Discharge rate), vagyis C-ráta arról árulkodik, hogy a betárolt villamos energiát az akkumulátor milyen dinamikával hajlandó visszaadni. Ezt a dinamikát a kapacitás függvényében határozzák meg, az 1:1 dinamikájú akku 1C-s. Megfordítva ez azt jelenti, hogy ha egy akkumulátor kapacitása 1800 mAh, és C-rátája 5, akkor 5*1,8, azaz 9 ampert tud egyidejűleg leadni.

Névleges feszültség

Már említettem, hogy a LiIon és LiPo cellák jellemző névleges feszültsége 3,7 volt, ami persze típusonként változhat. Ezeknél az akkumulátoroknál a feszültségszint jellemzően 4,2V (teljes töltés) és 3,2V (minimum) között változhat. A túltöltés tönkremenetelhez, vagy adott esetben kigyulladáshoz és robbanáshoz is vezethet, míg a túlmerítés csak simán tönkreteszi az akkut. A névleges feszültség a sorba kapcsolt cellák számával változik (a 3,7V valahányszorosa lesz). A névleges feszültséget (meg még pár paramétert) jelentősen befolyásolhat a LiIon akkumulátor típusa (anyaga).

Típus (anyag)

Konfiguráció

A Li-Ion cellákat egymással sorba és párhuzamosan is lehet kapcsolni. A soros kapcsolás esetén az „S”-vel, párhuzamos esetén a „P”-vel szokás ezeket a konfigurációkat jelölni. A 4S például 4, egymás után kapcsolt cellát jelöl, ahol ezeknek a feszültségei összeadódnak, így (tipikus esetben) 4*3,7V=14,8V-ot kapunk eredményül, azaz ekkora feszültséget fog leadni az egység.

_{A fenti értékek csak irányadóak, típusonként változhatnak}

A sorba kapcsolt cellák esetén ügyelni kell arra, hogy a töltöttségi szintet cellánként lehessen felügyelni. Ezt a gyakorlatban úgy szokás megoldani, hogy a két szélső sorba kapcsolt cellára csatlakoztatják az ennek megfelelően méretezett tápvezetéket, míg egy külön csatlakozón a cellánkénti elérést is lehetővé teszik a gyártók, valahogy így:

Ez a gyakorlatban így néz ki:

A párhuzamosan csatolt cellák esetén a feszültség nem változik, viszont az áramértékek összeadódnak.

LiIon akkumulátor, LiCoO2, LCO, LMO, LFP, LFP, BMS, LVC, PTC, CID, LiPF6, LiBF4, LiPo, C-ráta

start

anonymous@undisclosed.example.com (Anonymous) — Sat, 15 Aug 2020 22:24:54 +0000

OB121 blog

Az ob121 egy automatizálástechnikai blog, jórészt az ob121.com oldal információira épül. Tematikája: Simatic S7, TIA Portal, automatizálás, Arduino, ipari kommunikáció, IoT, WSN, …

WSN és IoT
A WSN ennél a megoldásnál kicsit bővebb rendszert jelöl, sőt, ha úgy vesszük, az IoT is a WSN része. A rövidítés a wireless sensor network-öt takarja, azaz a vezeték nélküli szenzorhálózatot. Ennek alapjait 2003-ban a DARPA finanszírozásában a Berkley Egyetem fektette le a „Smart dust” (inteligens por) projekt keretein belül.
2020.08.14.

LiIon akkumulátorok
A lítium bázisú tárolók sok kémiai összetétellel is alkalmazásra kerülnek, így a leggyakoribb lítium-kobalt-dioxid-akkumulátorok (LiCoO2 – LCO) mellett megtalálhatók a lítium-mangán-dioxid (LMO), és a lítium-foszfát-akkumulátorok (LFP), ritkábban pedig a lítium-titanát (LTO) és az ón-kén-lítiumion akkumulátorok is. A fizikai jellemzőik nagyjából megegyeznek ezeknek, azaz a fajlagos energiatárolási kapacitásuk 150 Wh / kg, energiasűrűségük 400 Wh / l körül alakul.
2020.08.14.

wsn_es_iot

anonymous@undisclosed.example.com (Anonymous) — Sat, 15 Aug 2020 22:22:40 +0000

WSN és IoT

Az IoT megnevezés sokaknak már talán ismerősen cseng, az internet of things, azaz a dolgok internete gyakorlatilag a jelenlegi ismereteinkben létező internet ugrásszerű bővülését/bővítését jelenti. Az IoT az (egyik) oka az IPv6 bevezetésének, mivel a „klasszikus” IPv4 egyszerűen már nem rendelkezik elegendően nagy címtartománnyal ennyi új „bevándorló” számára.

A klasszikus interneten számítógépek kommunikálnak többnyire szerverekkel, és ez a séma bővült ki jó pár szereplővel az utóbbi pár évben. Megjelentek a felhők a konkrét szerverek mellett, és a klasszikus böngésző-PC-k mellett megjelentek a laptopok, tabletek, mobiltelefonok, okos karon hordozható kütyük, majd a különféle intelligens, vagy legalábbis annak mondott mindenféle egyéb, net-kapcsolattal rendelkező kütyük.

Net-kamerák, hőmérséklet-érzékelők, szórakoztató-elektronikai kütyük, otthoni világítás és fűtésfelügyeleti eszközök, gombnyomásra valami árut rendelő pvb-k (parasztvakító bigyók), intelligens hűtőszekrények, amik a tulaj tudta nélkül is képesek ezt-azt rendelni,..

Lehet, hogy a szöveg felütéséből érződik, hogy személy szerint nem vagyok nagy barátja az efféle kezdeményezések nagy részének, de jellemzően minden újdonság a menő dolgokkal villogó hipszterek kényszerű közreműködésével kerül be a köztudatba, és terjed el ott, elég csak a favágószakállas baltát soha nem látott egyedekre gondolni. Zárójel bezárva.

Szóval van egy nagy rakás kütyünk, ami saját IP-vel és jó eséllyel egyedi MAC címmel rendelkezik, és csatlakoznak a hálózatra, dobálják fel az adataikat a felhőkbe, vagy csak egyszerűen elérést biztosítanak az internet felől.

WSN

A WSN ennél a megoldásnál kicsit bővebb rendszert jelöl, sőt, ha úgy vesszük, az IoT is a WSN része. A rövidítés a wireless sensor network-öt takarja, azaz a vezeték nélküli szenzorhálózatot. Ennek alapjait 2003-ban a DARPA finanszírozásában a Berkley Egyetem fektette le a „Smart dust” (inteligens por) projekt keretein belül.

A hálózat technikailag szenzorokból áll, melyek leggyakrabban ad-hoc hálózatot hoznak létre az adattovábbítás céljára. Az adatfolyam ezekben a hálózatokban az átjátszókig (gateway) tart, ahol az összegyűjtött adatok a feldolgozó rendszer felé kerülnek továbbításra.

Az eredeti koncepció szerint az adatfolyam csak egy irányban haladhat, azaz az érzékelők információit továbbítja, a fejlettebb WSN rendszerek lehetővé teszik a kétirányú forgalmazást is, azaz például a résztvevő szenzorok paraméterezhetők vagy parancsokkal vezényelhetők is.

Mivel az egységek itt nem, vagy legalábbis nem feltétlenül csatlakoznak az internethez, ez a hálózat egy csomó további kérdést és új definíciókat is felvet.

Ad-hoc hálózat

A WSN igazi előnyét a vezetékes szenzorkapcsolatokkal szemben a hibatűrő és alkalmazkodóképessége jelenti. Csakúgy, mint az maga az internet, a WSN is voltaképpen központi vezérlőrendszer nélkül, decentrális rendszerek összességeként működik. A kommunikáció formája (az osi modell alsó két-három szintje) nem definiált, azaz bármely rádiókommunikációra alkalmas protokoll és ezeknek a legkülönfélébb kombinációi is alkalmazhatók. A legtöbb ad-hoc hálózatnál alapfeltevés, hogy a kommunikáció egy „ugrásból”, azaz p2p nem valósítható meg.

A szenzorok egy-egy rádiókapcsolattal rendelkező mikrokontrollerhez csatlakoznak és ezeknek az egységeknek a hálózata adja ki voltaképpen a WSN-t. Ezek az egységek az alábbi jellemzőkkel rendelkeznek:

Minden egység rendelkezik rádiókapcsolattal
A szenzorok ezekhez az egységekhez kapcsolódnak, a méréseket ezek továbbítják
Az egységek képesek átjátszóállomásként is működni (multi-hopping)
Az egységek adott esetekben parancsokat is képesek fogadni és értelmezni
Bizonyos egységek átjáróként szolgálnak más hálózatok vagy rendszerek felé (gateway)

Multi-hop routing

Első nekifutásra foglalkozzunk csak az útvonallal. A multi-hop, azaz a többszörös ugrás azt jelenti, hogy a szenzortól a gatway-ig nincs közvetlen kapcsolat, hanem egy vagy több szenzort „átjátszó-állomásként” kell igénybe venni az adatok (vagy parancsok) célba juttatásához.

Még az is lehetséges, hogy a szenzor nagyobb energia felhasználásával (a rádióteljesítmény növelésével) közvetlenül is – azaz singe-hop routing-gal – el tudná érni a célállomását, de a WSN egyik definiált célra az alacsony energiafelhasználás, így ez a teljesítménynövekedés nem megoldható. Ez egyben azt is jelenti, hogy a WSN-nek nincs a klasszikus (ipari kommunikációs) értelemben vett topológiája, felépítése az internethez hasonlít (robusztus káosz-hálózat).

Alkalmazott protokollok

A WSN-nek nincs protokollra vonatkozó előírása, gyakorlatilag azt lehet elmondani róla, hogy az egységek valahogy kell, hogy rádiókapcsolatban legyenek egymással. Ez nyilván azt jelenti, hogy a hálózati kommunikáció egy része (vagy egésze) TCP/UDP átvitelre alkalmas protokollokkal (pl. Wifi, Bluetooth) működik, és akkor ezt a részt IoT-nek is nevezhetjük. De nyilván a kommunikációhoz bármely egyéb protokollt is felhasználhatjuk, például: IR, Wiegand, DASH7, ZigBee, WirelessHART, LoRaWAN, nRF24, RFID, GPRS,Thread, MiWi, Z-Wave, EnOcean, Eddystone, ANT, Insteon, stb…

A kommunikációs protokollok nagy része az ISM liszenszmentes rádiósávokat alkalmazza átvitelre, így a WSN alkalmazása legtöbb esetben nem igényel hatósági engedélyezést.

Energiafelhasználás

A WSN egyik törekvése az alacsony energiafelhasználás. Sok esetben a szenzorok és a rádiós mikrokontroller valahonnan a semmi közepéről kell, hogy sugározza a mérési eredményeit, ahol jó esetben napcella és akkumulátor, rosszabb esetben tartós alkáli-elem biztosítja a tápellátást.

Sérülékenység

Az IoT – bár erről nagyon kevés szó esik a propaganda-anyagokban – rendkívül sérülékeny és adott esetben nagyon nagy veszélyt jelenthet az internet felhasználóira. A kínai cégek milliószámra öntik a piacra termékeiket, melyeknek firmware-je általában admin jelszóval módosítható. A gond ezzel csak az, hogy a felhasználóknak erről általában fogalmuk sincs, így az alapértelmezett jelszót érintetlenül hagyják.

Viszonylag egyszerű módszerekkel (például MAC szkenneléssel) beazonosíthatóak ezek az egységek, és egy egyszerű rápróbálkozással az is megállapítható, hogy a gyári jelszóval működnek-e. Több ilyen jellegű felmérés azt támasztja alá, hogy az internetről elérhető IoT egységek nagyon nagy százaléka probléma nélkül elérhető a default jelszóval (ez leggyakrabban a „tluafed”, azaz default visszafelé).

Így az IoT eszközök adatai (kamerák képei, tárolt felvételek, mérések, privát adatok..) is elérhetők, illetve a firmware is felülírható. Ha ez utóbbi megtörténik, hatalmas botnet hálózatok hozhatók létre ezekből az eszközökből, illetve ezeknek a millióiból, és szinte bármely webhely megbénítható az ezekről indított túlterheléses (DDOS) támadásokkal. Ráadásul ez úgy is megtörténhet, hogy az IoT egység tulajdonosának fogalma sem lesz arról, hogy készüléke „másodállásban” milyen sötét akciókban vesz részt.

A tágabban értelmezett WSN-en (az IoT részeket leszámítva) ez a veszély egyelőre alacsony. A speciális (nem internetes) protokollok és a hálózatok nagyon egyedi felépítése egyelőre elegendő védelmet nyújt a nagyüzemi (bot-okkal megvalósított) behatolásokkal és zombivá alakításokkal szemben.

Azért persze ezek a hálózatok sem bombabiztosak; ha a hálózaton kevés a gateway, akkor jól elhelyezett rádiófrekvenciás zavaróegységekkel (jammerekkel) ezek a hálózatok is ellehetetleníthetők.

WSN, IoT, IPv6, DARPA, hálózat, smart dust, Berkley, ad-hoc, multi-hop routing, Wifi, Bluetooth, IR, Wiegand, DASH7, ZigBee, WirelessHART, LoRaWAN, nRF24, RFID, GPRS, Thread, MiWi, Z-Wave, EnOcean, Eddystone, ANT, Insteon, sérülékenység, DDOS