Las baterías primarias juegan un papel muy importante en las aplicaciones de Internet de las Cosas (Internet of Things – IoT). Diseñadas para larga duración, tienen una gran capacidad de energía, y a menudo se usan en aplicaciones donde el suministro de energía de red es imposible o impracticable. Como por ejemplo los medidores inteligentes o dispositivos de seguimiento de activos (mercancías o animales), disponibilidad de estacionamiento de vehículos, monitorización del medio ambiente o dispositivos de salud. La duración de la batería es clave para maximizar el coste total de la propiedad (TCO) de una aplicación. Está directamente relacionada con el nivel y duración del esfuerzo infligido en la batería por la aplicación y, por lo tanto, es específico para cada proyecto determinado. Si el “cuándo” y el “qué” no se definen bien, y el fabricante de la batería no los tiene en cuenta, el mantenimiento y la sustitución de las baterías descargadas pueden aumentar drásticamente los costes operativos (OPEX), y el retorno de la inversión (ROI) de la aplicación para su usuario final. Por lo tanto, la comprensión de los factores que afectan la vida útil de la batería es de vital importancia para un diseñador de dispositivos de IoT para administrar y optimizar el rendimiento del producto. Así que echemos un vistazo a los diversos parámetros que hay que tener en cuenta.
¿Qué influye en el tiempo de funcionamiento de la batería?
La cantidad de energía que puede contener una batería (almacenamiento de energía), también llamada “capacidad”, se mide en amperioshora (Ah). La capacidad de la batería determinará su tiempo medio de ejecución (tiempo de funcionamiento), y ayudará a predecir el final de la vida útil de la batería. La capacidad nominal de la batería se calcula para una corriente específica o rango de corriente llamado “nominal”. Se considera que el tiempo de funcionamiento promedio de una batería para una aplicación concreta, se determina con la capacidad indicada en la hoja de datos de la batería para su rango de corriente nominal, dividido por el consumo (amperios) requerido por la aplicación. Por ejemplo, un dispositivo de IoT consume 1 mA, y tiene una batería de 1200 mAh; el tiempo de funcionamiento es igual a la capacidad dividida por el consumo: 1200 mAh / 1 mA = 1200h. Un error común es observar la capacidad nominal de la batería, sin verificar si la corriente media consumida por la aplicación, corresponde al rango de corriente nominal en la hoja de datos. Hay que tener en cuenta que la capacidad por sí sola no es suficiente para evaluar la vida útil de la batería. El ciclo de una batería depende de diversos factores:
- El tipo de batería y la electroquímica.
- La temperatura de operación que afecta a la eficiencia electroquímica
- El índice de descarga, que depende de las necesidades de potencia de la aplicación y de la intensidad, duración y frecuencia del pulso.
- El rango de tensión del dispositivo (tensión máxima, nominal y de desconexión): si la tensión cae por debajo de la tensión de desconexión (especialmente al final de la vida útil de la batería, o cuando la pasivación es importante), el dispositivo se debe reiniciar, lo que consumirá energía adicional. Por otro lado, podría proporcionar algún inconveniente importante para la aplicación, como la pérdida de datos, e incluso podría causar su final prematuro.
- Las corrientes de fuga de los diversos componentes del dispositivo, que consumen energía de la batería.
- Almacenamiento de la batería (condiciones de almacenamiento y duración, antes de que la batería se integre en el dispositivo)
- Almacenamiento del dispositivo (condiciones de almacenamiento y duración, una vez que la batería se ha integrado en el dispositivo)
¿Cómo calculamos la vida útil de la batería?
Calcular la vida útil de la batería para una aplicación determinada es una misión difícil, siendo necesario que la realice un Ingeniero de Aplicaciones. Desde Saft trabajamos para servir de puente entre el cliente y los equipos de ingeniería, nuestro papel es analizar el perfil operativo de las aplicaciones, y los requisitos de batería para recomendar la mejor solución duradera. También ofrecemos soporte técnico a los diseñadores de aplicaciones, y compartimos nuestra experiencia sobre la mejor manera de optimizar sus aplicaciones. Nuestros 100 años de experiencia, y millones de baterías desplegadas en el sector, nos han permitido desarrollar herramientas de cálculo basadas en estadísticas y datos históricos, para las dos químicas principales que se utilizan en nuestros rangos de baterías primarias para IoT: dióxido de litiomanganeso (Li-MnO2 – Gamas LM/M) y cloruro de litio-tionilo (Li-SOCl2 – Gamas LS, LSH y LSP). Estas herramientas nos permitirán explorar, y en ocasiones desafiar, los parámetros y restricciones del dispositivo para recomendar la mejor opción de batería posible, y así calcular la vida útil de la batería prevista para el dispositivo específico.
Explorandolas condiciones ambientales de la aplicación
Conocer las condiciones de temperatura del dispositivo IoT durante el almacenamiento, y una vez que se ha implementado, ya sea en interiores o exteriores o ambos, o en países templados o cálidos, nos permitirá determinar el perfil de temperatura de la aplicación, y estimar la pérdida de energía vinculada a la autodescarga y al riesgo de pasivación (lo que lleva a una posible caída de tensión). La autodescarga es un fenómeno en las baterías, por el cual las reacciones químicas internas de las pilas reducen la energía almacenada en la batería, sin haber ninguna conexión entre los electrodos y un circuito externo. La autodescarga puede ser muy compleja de modelizar, y depende de varios parámetros, como el pico de corriente, el perfil de consumo, la temperatura, la edad de la celda, etc. Hay dos fenómenos de autodescarga que hay que tener en cuenta al calcular la vida útil de la batería: autodescarga en almacenamiento, y autodescarga en uso. El período de almacenamiento de una batería puede ser significativo, desde el momento en que se fabrica, hasta el momento en que se integra en el dispositivo IoT, y hasta el funcionamiento real de la aplicación.
La autodescarga tiende a ocurrir más rápidamente a temperaturas altas. Por el contrario, las temperaturas bajas tienden a reducir la tasa de autodescarga, y preservan la energía inicial almacenada en la batería. En nuestras simulaciones, tendremos en cuenta cada paso del almacenamiento de los dispositivos, hasta que el dispositivo se ponga en servicio, para asegurarnos de que nuestras estimaciones se acercan lo más posible a la realidad. Como se explicó anteriormente, conocer las temperaturas a las que está expuesto el dispositivo en el modo de funcionamiento normal es igualmente importante para determinar la autodescarga en uso. En efecto, una temperatura baja puede proteger a la batería de la autodescarga, pero las reacciones electroquímicas y de difusión se ralentizan, y la viscosidad del electrolito es más alta, lo que hace que la batería sea menos capaz de proporcionar energía y puede causar una caída de tensión. Y con la aplicación en potencia constante, a medida que aumenta la impedancia, cae la tensión, lo que a su vez utiliza más corriente, impactando sobre la capacidad de la batería. Por el contrario, cuando la autodescarga se realiza en temperaturas cálidas, algunas celdas, basadas en litio, desarrollan un fenómeno electroquímico llamado pasivación, que protege a la celda descargarse por sí misma. Pero la pasivación puede causar caídas de tensión (transitorias o permanentes). Conocer el perfil de temperatura es muy importante para determinar la respuesta de tensión de una batería, ya que las lecturas de tensión bajan, al bajar la temperatura.
Además, el perfil de temperatura permitirá a los ingenieros de aplicaciones evaluar el riesgo relacionado con la pasivación (que conduce a una caída de tensión o retraso durante los pulsos), para las baterías con cátodos líquidos, como las baterías de cloruro de tionilo de litio. El fenómeno de pasivación es mayor, cuando la temperatura supera los 30°C. Por lo tanto, debemos evaluar con precisión el tiempo que pasa la batería en temperaturas cálidas o frías, en almacenamiento o en uso, para determinar la autodescarga y el riesgo de pasivación.
Exp lorar el perfil operativo de la aplicación y los requisitos de energía
Como dijimos anteriormente, la velocidad de descarga de una batería depende del consumo de energía (o consumo actual) de la aplicación, y la intensidad de pulso, duración y frecuencia. Necesitamos identificar las funciones que consumen más energía y que afectarán la autonomía del dispositivo sin olvidar el modo de reposo, el consumo en modo de espera, y el consumo y la corriente de fuga de los diversos componentes electrónicos de la aplicación. Estos son lo que mayor impacto tienen en el período de vida útil de la batería. Necesitaremos conocer el drenaje del pulso, en otras palabras, necesitaremos conocer los niveles de pulso, la duración y la frecuencia de todos los componentes del sistema. Toda esta información nos dará la energía necesaria durante todas las etapas de la vida útil del dispositivo (almacenamiento y operación).
Estudiaremos esta información teniendo en cuenta la vida prevista del dispositivo, para poder ofrecer recomendaciones sobre cómo optimizar el diseño y cómo seleccionar la batería adecuada para lograr la vida útil deseada. La tensión también es muy importante. Necesitaremos conocer la tensión máxima, nominal y de corte de la aplicación por varias razones: • Cuando la batería envejece, la tensión tiende a fluctuar. Necesitamos asegurarnos de que la batería seleccionada puede mantener una tensión superior a la tensión de corte de la aplicación durante toda la vida útil del dispositivo, y en todo el rango de temperatura previsto para su uso. • Si la tensión cae por debajo de la tensión de corte, especialmente con un pulso elevado, o cuando la pasivación es importante, el dispositivo se debe reiniciar, lo que consumirá energía. Esto podría proporcionar un gran inconveniente para la aplicación, e incluso podría causar el final prematuro de la vida útil. • Dependiendo de la tensión mínima y máxima, podríamos recomendar el uso en la batería de varias celdas en una serie, ofreciendo así una vida útil más larga. Por ejemplo, si la tensión mínima del dispositivo es de 3 V, y la tensión máxima es de 7.2 V, podemos recurrir a una combinación de dos celdas en una serie, lo que permitiría que la tensión de corte baje a 1.5 V/celda. Los dispositivos tendrían que permitir el espacio, aunque habría una doble ventaja: aumenta la tensión de la batería, y ofrece una mayor vida útil del dispositivo.
- Otra solución es agregar un supercondensador o un condensador híbrido de litio en paralelo a una celda de cloruro de tionilo, para mejorar la respuesta de la tensión, como nuestra gama de baterías LSP.
- Para su información: Si reduce la tensión de corte de la aplicación, tendrá una opción más amplia de tecnologías de batería, y es posible que se pueda deshacer de los componentes que consumen energía, que de otro modo serían necesarios, como los supercondensadores. Una última pregunta que hay que hacerse, es si la batería buscada para el proyecto es la batería principal de la aplicación, o un respaldo de seguridad. Estos últimos permanecerán en modo de espera durante mucho tiempo, hasta que se necesiten repentinamente, en cuyo caso la batería debe tener la capacidad de reaccionar rápidamente. Obviamente, esto también afectará a su longevidad.
Explorando la tecnología de la batería en sí
Ahora que nos hemos enterado de los requisitos y limitaciones del dispositivo, podremos recomendar la batería adecuada para su proyecto. Último paso, pero no menos importante en el proceso de cálculo de la vida útil, es la elección de la química que afecta la longevidad de la batería. Li-SOCl2 química, por ejemplo, tiene una reputación excepcional para la fiabilidad y larga vida. También muestra una mayor densidad de energía, que puede recuperar hasta en 20 años. Otra química, como es el dióxido de litio-manganeso (Li-MnO2), está particularmente adaptada a aplicaciones de pulso elevado, con una tensión de corte baja, y ofrece un buen equilibrio entre energía y potencia. Junto con componentes electrónicos de bajo consumo, pueden ofrecer hasta 20 años de servicio.
La construcción de la celda también tiene una función: una tecnología en espiral que ofrece mucha potencia para aplicaciones de pulso elevado (hasta 4 A), mientras que una construcción de bobina ofrecerá una baja autodescarga, y una gran capacidad en el tiempo, pero sin aumento de la corriente a unos pocos mA, o algunas docenas de mA. Finalmente, para aplicaciones de descarga a muy largo plazo (10-20 años), podríamos recomendar el uso de una combinación de celda de bobina LiSOCl2 con un condensador, como nuestra gama LSP. El condensador está diseñado para ayudar a la batería a mantener la tensión perfecta durante el pulso, durante toda la vida de la aplicación y en cualquier condición de temperatura. La capacidad de mantener el pulso del condensador evitará el efecto de la pasivación almacenando energía eléctrica, y liberándola cuando sea necesario. La capacidad de la batería se verá levemente afectada por el condensador, pero el drenaje del pulso producido por la celda se reducirá, permitiendo una mayor duración de la batería.
Juegos de malabarismos entre los requisitos y las restricciones, para obtener lo mejor de la batería del dispositivo
Al final, nuestro objetivo es recomendar la química y la tecnología de batería correctas, para que el dispositivo pueda funcionar correctamente durante toda su vida útil, haciendo un uso completo de la batería hasta el final de su vida útil. La experiencia es clave en este proceso. ya que cualquier lectura errónea de pasivación o de autodescarga, o cualquier abuso al que se someta una batería en condiciones para las cuales nunca fue diseñada podría dar lugar a una fallo prematuro: la batería está por debajo de la tensión de corte y no se puede reiniciar. Luego se queda medio cargado, un desperdicio de elementos electroquímicos, tiempo y dinero, a pesar de las consecuencias económicas más amplias que podrían comprometer el proyecto. Si tiene alguna pregunta sobre este artículo o si desea ponerse en contacto con uno de nuestros expertos para obtener una recomendación de batería o un cálculo de por vida, no dude en enviarnos un correo electrónico a la dirección contacto@saftbatteries.com. ¡Estaremos encantados de ayudar!
