Diseño de bajo consumo, ¿qué significa para la selección y funcionamiento de la batería?

Diseño de bajo consumo, ¿qué significa para la selección y funcionamiento de la batería?

«Bajo consumo» ha sido un mantra por mucho tiempo para los desarrolladores de IoT. Pero la llegada de una nueva clase de tecnologías de “low power wide área” (LPWA) como LTE-M o NB-IoT, ha acelerado la tendencia, y ha permitido que la industria avance mucho en la optimización de energía para abordar los diversos requisitos del mercado de IoT.

Sin embargo, el diseño para bajo consumo impone requisitos únicos a los desarrolladores de IoT, que deben lidiar con un amplio conjunto de nuevos requisitos de conectividad, consumo de energía y robustez. Una serie de factores pueden afectar el funcionamiento de la batería y, a menudo, es necesario equilibrar el rendimiento, la energía y el consumo de energía, haciendo que el desafío sea aún mayor.

¿Qué es el diseño de bajo consumo? ¿Por qué es importante?

El diseño de bajo consumo tiene como objetivo reducir el consumo de energía dinámico y estático general de un dispositivo, utilizando una colección de técnicas y metodologías, que tienen por objetivo optimizar la vida útil de la batería. Va mucho más allá de simplemente insertar la tarjeta SIM NB-IoT de un operador móvil en su dispositivo. Implica diseñar y optimizar todo el hardware y software para manejar este nuevo paradigma. Los recursos de hardware se deberían mantener al mínimo, para procesar los datos. El tiempo de conexión también debería ser limitado y, según la tecnología inalámbrica elegida, hay que ajustar muchos parámetros para optimizar el rendimiento general del dispositivo y del consumo de energía. Es necesario diseñar un modo de suspensión para que el producto mantenga el consumo de energía al mínimo, durante los intervalos en los que se pierde la comunicación.

La teoría puede parecer simple, pero la complejidad del diseño de bajo consumo radica en los detalles. Para ayudar a los desarrolladores de IoT en todo el mundo con esta tarea gigantesca, Deutsche Telekom creó una herramienta de modelado digital, el Optimizador de Soluciones de IoT, que permite a los desarrolladores planificar, modelar y optimizar el rendimiento de sus soluciones NB-IoT y LTE-M, alimentadas por batería, utilizando baterías Saft. En esta línea, Saft brinda acceso gratuito a Wisebatt, la solución de creación de prototipos virtuales en línea, que le permite encontrar una vista detallada del consumo de energía del hardware de sus dispositivos, y optimizarlo. Si se encuentra en una etapa anterior de su proyecto, el selector de baterías inteligentes de Saft, también puede guiarle hacia las soluciones más adecuadas para el uso que quiere.

Los desafíos del diseño de bajo consumo: adaptar el comportamiento de comunicación y el diseño electrónico de su dispositivo

Adaptar el comportamiento de comunicación

La actividad comunicativa es una de las primeras cuestiones a evaluar. Considere la frecuencia de comunicación, el tamaño de la carga útil, los protocolos utilizados, la cantidad de actualizaciones de firmware. Todo esto influye en cómo se consume la energía de la batería.

La optimización de la estructura de carga útil y los patrones de comunicación de las aplicaciones permite un rendimiento superior. De hecho, cuanto mayor sea la carga útil de su aplicación, más engorroso será manejarla por una tubería de transmisión de banda estrecha, dando como resultado retransmisiones que aumentan el consumo de energía. Es prudente identificar cuidadosamente qué datos son esenciales para enviar y con qué frecuencia se debería realizar.

Además, el módulo de comunicación del dispositivo debería estar en modo de suspensión de bajo consumo el resto del tiempo. Cada evento de comunicación innecesario esencialmente interrumpe las funciones de ahorro de energía activadas de NB-IoT o LTE-M, lo que reduce constantemente la duración de la batería, a medida que aumenta la frecuencia de comunicación. El Optimizador de Soluciones de IoT contiene algoritmos que no solo pueden recomendar la combinación correcta de funciones de ahorro de energía en función del caso, sino que también el servicio ayuda a visualizar cómo el tamaño de la carga útil de comunicación, el uso del protocolo y la frecuencia de comunicación afectan en la vida de la batería.

También debería seleccionar el portador de conectividad que mejor se ajuste. Los protocolos 3GPPTM ofrecen muchas características y capacidades poderosas, que requieren un cierto nivel de experiencia para usarlas correctamente. Puede que algunos desarrolladores no tengan mucha experiencia previa en la optimización de sus aplicaciones para la conectividad 3GPPTM y, sin darse cuenta, reinician sus dispositivos si se encuentran con algún caso de fallo (por ejemplo, si la red rechaza el dispositivo, o se solicita un servicio que la red no soporta). Cuando miles de estos dispositivos se reinician y se vuelven a conectar a la red incesantemente, no solo pueden crear una tormenta de señalización, sino que finalmente agotan sus baterías. Para evitar estos problemas, se recomienda encarecidamente utilizar módulos que admitan el Administrador de políticas de radio TS.34 de GSMA, un organismo de control que supervisa si se produce un comportamiento no deseado de la aplicación. Cada vez que RPM detecta escenarios específicos en los que la aplicación puede congestionar la red o agotar la energía de la batería, se activa un mecanismo de retroceso durante la duración de un temporizador configurable, lo que minimiza los riesgos.

Finalmente, tenga en cuenta el perfil de movilidad de los dispositivos, especialmente si estos se van a implementar en varios países, o si cambian regularmente entre diferentes redes. Dependiendo de qué tecnologías de acceso y bandas de frecuencia estén disponibles en cada mercado, se le pedirá al dispositivo que realice exploraciones de adquisición de red de duración variable. Una buena estrategia de ahorro de energía es restringir la cantidad de bandas que el módulo escanea a las de los operadores de destino en los que el dispositivo tiene permiso de itinerancia. Si solo se seleccionan las bandas necesarias, el procedimiento de escaneo será más rápido y consumirá menos energía.

Aumento de la duración de la batería al reducir el número de comunicaciones gracias a Edge Computing

Existen alternativas al envío muy regular de datos a la nube para su procesamiento. Al enviar funciones de procesamiento a la puerta del enlace, o al nodo, una estrategia que a veces se denomina «fog computing» o «Edge computing«, puede procesar datos localmente, en lugar de enviar datos sin procesar, y procesarlos de forma remota, lo que limita el ancho de banda y minimiza la latencia entre entrada y respuesta, y por lo tanto el consumo de energía. La inteligencia artificial (IA) se ejecuta en el procesador del dispositivo, de modo que puede aprender de forma autónoma de su entorno a través de las capacidades de detección integradas. El objetivo es tomar decisiones más informadas sobre cuándo comunicar, o no.

La informática perimetral está en auge últimamente, impulsada por los avances en la tecnología de chips, y la necesidad de mejorar la eficiencia operativa en los límites superior e inferior del rendimiento: IoT crítico e IoT masivo. Una nueva generación de componentes permitirá más procesamiento dentro del dispositivo perimetral, al tiempo que preserva la vida útil de la batería varios años para dispositivos anfitriones. AI puede incluso trabajar con la batería para optimizar el consumo de energía del dispositivo.

Pero nuevamente, es importante observar de cerca el dimensionamiento de energía total que se requiere para recopilar, procesar o enviar datos. Sacrificar algo de tiempo de informática para disminuir la comunicación generalmente vale la pena, pero si el procesador necesita estar activo todo el tiempo para recopilar y procesar información, es posible que pierda los beneficios de estas funciones.

Adaptando el diseño electrónico

Se están optimizando cada vez más de módulos de comunicación inalámbrica para implementarlos en soluciones LPWA. Navegar a través de la jungla de opciones de hardware no es una tarea fácil, especialmente porque cada vez hay más proveedores de conectividad que piden a los desarrolladores, que usen componentes certificados por operadores. Para ayudar a sus clientes en el diseño de sus productos, la herramienta de planificación de dispositivos de Deutsche Telekom, el Optimizador de Soluciones de IoT, integra la base de datos de mediciones de energía más grande de la industria, para módulos de un solo modo, y multimodo NB-IoT y LTE-M. Cada componente integrado se modela digitalmente utilizando un perfil muy detallado que consta de miles de mediciones de potencia, que en conjunto representan más de cien procedimientos 3GPPTM. Al integrar módulos probados y certificados por Deutsche Telekom, los clientes evitan la molestia de solucionar problemas de rendimiento e interoperabilidad, que pueden agotar la batería.

Los clientes cuyos dispositivos IoT son móviles, o están planeados para la venta en varios mercados se sienten atraídos por los módulos multimodo por una razón simple: es posible que las redes domésticas o de roaming en las que operan estos dispositivos no hayan implementado NB-IoT y/o LTE-M. Por lo tanto, la disponibilidad de un segundo o tercer protocolo de respaldo es esencial para compensar la falta de cobertura y garantizar una comunicación constante. Pero el inconveniente de usar módulos multimodo, especialmente con respaldo 2G, es que su arquitectura de amplificador de potencia es significativamente más compleja e ineficiente. Por lo tanto, los desarrolladores deben tener en cuenta que, al optimizar su consumo de energía, los módulos multimodo consumen más energía que las variantes monomodo. Entonces, como se mencionó anteriormente, asegúrese no solo de elegir, sino también de programar el módulo correctamente.

Los chips GNSS también pueden representar un gran consumo de energía, si no se configuran correctamente, los que brindan servicio de posición a través de las constelaciones de satélites GPS, BeiDou, GLONASS, QZSS y Galileo. Estos suelen venir con diferentes modos de funcionamiento. Es necesario seleccionar y dimensionar adecuadamente el modo de funcionamiento elegido para buscar satélites de la manera más conservadora y mantener el consumo de energía al mínimo.

Su solución GNSS no es la única causa de preocupación. Es necesario medir y reducir las corrientes de fuga de otros componentes. Los convertidores y reguladores de tensión también pueden consumir una cantidad significativa de energía, que luego se disipa en forma de calor.

Al igual que las baterías, las antenas SMT son un componente que a menudo se pasa por alto. Tener en cuenta el lugar donde se van a ubicar en una etapa temprana del diseño del hardware del producto es fundamental, especialmente si las dimensiones del dispositivo IoT son bastante pequeñas. Dependiendo de la ubicación en la PCB, en los rangos de baja frecuencia de NB-IoT o LTE-M (800 o 900 MHz), la eficiencia de la antena puede disminuir significativamente. En el peor de los casos, pueden pasar inadvertidas gran parte de las ventajas por una mejor cobertura de la tecnología LPWA.

Elegir la batería adecuada: las implicaciones del diseño de bajo consumo para la selección y el funcionamiento de la batería

Optimizador de Soluciones de IoT también puede ayudar, al mostrarle cómo elegir la batería adecuada, algo primordial. El curso de este artículo nos ha hecho abordar la cuestión de la fuente de energía bastante tarde en el texto, pero en realidad, la elección de la batería se debería abordar en una etapa muy temprana de su proyecto.

Las diferentes químicas ofrecen beneficios diferentes, y se pueden adaptar al perfil de consumo de su dispositivo.

El cloruro de litio-tionilo (Li-SOCl2), por ejemplo, es una química interesante para aplicaciones de baja potencia y larga duración, ya que ofrece una baja autodescarga (lo que significa que la capacidad de la batería no se ve demasiado afectada por el tiempo de almacenamiento y uso, en modo de suspensión), y se adapta perfectamente a los requisitos de alta energía y tensión, en un rango amplio de temperaturas

Esta química se supedita a la pasivación, una reacción superficial que protege a la celda de descargarse por sí sola, y permite una vida útil larga.

La pasivación puede ofrecer ventajas significativas, pero es necesario anticipar los requisitos de energía para encontrar el equilibrio adecuado entre el perfil de consumo y la carga de energía. De hecho, la capa de pasivación se construye mientras el dispositivo está en modo de suspensión o en almacenamiento. Tras la conexión actual, la capa de pasivación se rompe para dejar pasar la corriente. Pero si la corriente de consumo de energía principal es demasiado baja, los iones de la corriente máxima de comunicación no podrán fluir a través de la capa de pasivación, que se volverá demasiado gruesa, provocando una caída de tensión por debajo de la tensión de corte, por lo que se detiene el dispositivo. Cabe señalar también que, a temperaturas muy altas, la capa de pasivación se vuelve más gruesa, lo que consume más materiales activos, y reduce la capacidad de la batería.

La construcción de la celda también es importante, ya que tiene un impacto directo en el rendimiento de la celda. Las celdas de bobina (gama baterías LS de Saft) proporcionan más densidad de energía y menos autodescarga que las celdas diseñadas en espiral (gama LSH), pero la capacidad limitada de corriente y corriente de pulso, que a menudo se requiere en aplicaciones de área amplia de baja potencia, podría implicar el uso de un dispositivo de mantenimiento de pulso, como un condensador, EDLC o condensador de capa híbrida, para lograr perfiles de corriente de pulso más altas (gama LSP). Estos condensadores también tendrán un impacto en el presupuesto de energía, por lo que deberá elegir el capacitador correcto para su aplicación.

La temperatura cuando se despliega en el campo también tendrá su importancia. A veces, para la misma aplicación, podemos recomendar diferentes tecnologías de batería según el área de implementación y su temperatura. Como se mencionó anteriormente, a altas temperaturas, la capa de pasivación del cloruro de litio-tionilo se vuelve demasiado importante, lo que puede afectar la capacidad de la celda. En ese caso, podríamos recomendar el uso de dióxido de litio-manganeso (gama LM/M), una química que no está sujeta a pasivación.

La variable de ajuste entre diferentes tecnologías a menudo se reduce a la tensión, pero hay muchas opciones y soluciones. El cloruro de litio-tionilo, que ofrece una tensión alta, se podría acoplar a un supercondensador para aumentar el nivel de corriente del pulso. El dióxido de litio-manganeso, que ofrece mayores capacidades de pulso, se podría acoplar potencialmente a un convertidor CC/CC para convertir una tensión que, de lo contrario, podría ser demasiado baja. Otra opción para aumentar la tensión es usar múltiples celdas en un paquete de baterías, o usar dos celdas conectadas en serie. Cada una de estas características, hasta la forma en que se integra la batería, afecta al consumo de corriente

Generalmente, cuando la tensión incrementa, mejora la eficiencia electrónica, pero dado que la potencia de la batería es el producto de la tensión y la corriente, reducir la tensión operativa de un dispositivo mejorará el consumo de corriente de la batería, lo que le dará una vida útil más corta.

Cada proyecto es específico y la clave del éxito será encontrar el equilibrio adecuado entre la vida útil de la aplicación y el índice de descarga. Es más interesante consumir más energía, pero ¿y utilizar más del 90% de la energía disponible o consumir menos energía, y poder utilizar el 70% por ciento de la energía disponible?

El diseño de bajo consumo puede complicar considerablemente la tarea de un desarrollador de IoT. El Optimizador de Soluciones de IoT se ha creado para acelerar la priorización, y ayudar a los usuarios a tomar decisiones más informadas sobre sus opciones de diseño, lo que genera grandes ahorros en pruebas y errores.

Puede enviarnos un correo electrónico con sus preguntas sobre la selección de baterías a contacto@saftbatteries.com ¡Estaremos encantados de ayudarle!