6. januarja, 2021

Kdaj uporabiti polnilne baterije v majhnih aplikacijah z baterijskim napajanjem

Slike LOGOTIPI Svet elektronike color 300x92 - Kdaj uporabiti polnilne baterije v majhnih aplikacijah z baterijskim napajanjemBaterije, kot vir za zagon avtomobila pa do napajanja televizijskega daljinskega upravljalnika, zagotavljajo energijo, ki omogoča delovanje vsakdanjih predmetov.

Vendar vse baterije niso enake. Nekatere lahko delujejo tudi pri nižjih temperaturah, druge pa lahko zagotavljajo višje tokovne konice pri praznjenju z najvišjimi tokovi. Izbira prave baterije lahko zmanjša velikost končnega izdelka, podaljša njegovo življenjsko dobo in mu daje večjo robustnost.

14 1 300x202 - Kdaj uporabiti polnilne baterije v majhnih aplikacijah z baterijskim napajanjem

Slika 1: Tipične baterije za enkratno uporabo

Pri razvoju neke nove naprave za merjenje sladkorja v krvi bo vaša najpomembnejša odločitev izbira tipa baterije za napajanje, oziroma dilema, ali izbrati baterijsko kemijo za enkratno uporabo ali za ponovno polnjenje. Primarne celice so običajno cenejše, energetsko bolj zmogljive in bolj enostavne za uporabo – hkrati pa tudi večje, ustvarjajo odpadke in so nagnjene k izlitju. Polnilne celice so po drugi strani bolj prilagodljive glede svoje zmogljivosti, imajo daljšo življenjsko dobo in omogočajo bolj elegantne in kompaktnejše oblike.

Polnilne baterije so običajno tudi dražje in kompleksnejše za uporabo zaradi dodatnih komponent, potrebnih za njihovo delovanje. Za številne oblikovalce naprav te pomanjkljivosti pomenijo, da so na primer za aplikacije merilnikov sladkorja v krvi primarne celice edina sprejemljiva izbira. Toda rešitve s polnilnimi baterijami tudi preprostim in poceni napravam dodajajo večjo vrednost, kot zgolj koristi v zvezi z varovanjem okolja.

Ker baterijskih primarnih celic pač ni mogoče napolniti, moramo za katerokoli napravo (v našem primeru prenosni merilnik sladkorja v krvi, ki jih uporablja kot vir napajanja) na začetku oceniti, koliko energije je potrebno za uro njene uporabe. S tem se določi potrebna zmogljivost za neko primerno dolgo obdobje uporabe te naprave. Potrošniki namreč ne želijo menjavati baterij na svojih napravah tedensko ali celo dnevno, zato mora biti zahteva glede potrebne zmogljivosti večkratnik običajne dnevne porabe take naprave.

14 2 300x218 - Kdaj uporabiti polnilne baterije v majhnih aplikacijah z baterijskim napajanjem

Slika 2: Tipična akumulatorska baterija

Da nekako ponazorimo to dejstvo, si predstavljajmo, da načrtujemo napravico v obliki obliža za spremljanje drže telesa v službi. Naprava vsakih osem ur porabi 50 mAh pri napetosti 4,2 V in pred zamenjavo baterije predvideva vsaj 100 ur uporabe. Za doseganje teh ciljev učinkovitosti s primarnimi celicami bi morala biti zmogljivost baterije najmanj 625 mAh, da bi napravi zagotovili dovolj energije. Vsa neizkoriščena zmogljivost baterije povečuje težo in velikosti končnega izdelka, ki bi ju lahko uporabili bolj funkcionalno.

Na drugi strani pa polnilna baterija ne bi potrebovala energije za 100 ur delovanja; napajanje mora podpirati le najbolj skrajni primer pogostosti uporabe med polnilnimi cikli. Če bi imela naprava med posameznimi počitki (polnjenji) le 20 ur uporabe, bi lahko sistem namesto s 625 mAh načrtovali s 125 mAh baterijo. Čeprav ima primarna celična baterija trikrat večjo gosto shranjene energije kot alternative za ponovno polnjenje, pa znatno zmanjšana zahteva glede zmogljivosti več kot nadomesti to pomanjkljivost.

Drug dejavnik, ki ga je treba upoštevati pri primarni celični bateriji, je možnost izlitja vsebine (elektrolita), zlasti pri alkalnih baterijah. Ko baterijo uporabljamo, v njej poteka kemična reakcija, ki lahko povzroči prekomerno povečanje tlaka v celici. Da bi zmanjšali stroške proizvodnje, baterije nekaterih proizvajalcev primarnih celic niso izdelane z najboljšim prezračevanjem ali z ustreznimi materiali. Posledično so to strukturno šibkejše celice, ki lahko sčasoma začnejo puščati svojo vsebino na občutljive priključke, kar lahko trajno poškoduje napajano napravo. Pojavlja se vprašanje, zakaj bi mi, kot razvijalci neke nove naprave pri načrtovanju dodajali še eno potencialno možnost, zaradi katere bi naprava lahko odpovedala?

Tudi če spregledamo možnost okvare naprave zaradi izlitja, je treba baterijske primarne celice dokaj pogosto zamenjati. Vsi smo že morali zamenjati baterijo v daljinskem upravljalniku, ko je bilo po več tednih vse slabšega signala to že nujno potrebno. Ko se primarne celice izpraznijo, potrebujejo nekatere čisto posebne postopke odstranjevanja, prav vse pa ustvarjajo odpadke višjih stopenj kot baterije za ponovno polnjenje. V času, ko svet postaja vse bolj ekološko osveščen, bi morali biti upravičeno zaskrbljeni zaradi odpadkov, ki jih ustvarijo milijoni ljudi z zamenjavo baterij na vsakih 100 ur v primerjavi z 2000 urami uporabe polnilnih baterij. Zavedajte se, da je vse odvisno le od vaše izbire že v začetku načrtovanja nove naprave.

Primarne celice so poleg tega že vnaprej izgubile bitko v spopadu z naraščajočo porabo energije. Uporabniki radi spremljajo svoje dejavnosti in sledijo drugim podatkom prek spletnih aplikacij. Ko so takšne stvari, kot so Bluetooth® Low Energy in drugi komunikacijski standardi, globoko vtkane v naše vsakdanje življenje, se potrebe po energiji povečujejo in velikost zmanjšuje. Naprave ne mirujejo več, ko niso v uporabi, ampak ves čas delovanja zagotavljajo redna poročila. Ta funkcionalnost seveda potrebuje energijo in poveča povprečno porabo energije na uro uporabe. Potrošniki pa bodo vedno želeli, da njihove naprave naredijo še več in polnilne baterije jim to omogočajo.

14 3 300x203 - Kdaj uporabiti polnilne baterije v majhnih aplikacijah z baterijskim napajanjem

Slika 3: Izpraznjene primarne celice postanejo odpadek

Integrirana vezja, namenjena polnjenju baterijskih celic, kot sta na primer BQ25155 in BQ25125 (Texas Instruments), so majhna, enostavna za uporabo in zmogljiva. Z integriranimi regulatorji z nizkim padcem napetosti (LDO), analogno-digitalnimi in DC/DC pretvorniki lahko te naprave predstavljajo celovite enote za upravljanje delovanja baterij (BMS).

TI (Texas Instruments) ima široko paleto virov, ki vas bodo vodili skozi postopek vključevanja sistema za upravljanje porabe energije v vaše prihodnje zasnove, ne glede na to, ali se s tem področjem srečujete prvič ali pa ste strokovnjak s področja napajanja. Pri TI imamo rešitev in podporo za vsak scenarij, od naprav, ki uporabljajo 60-mAh baterije, na primer v monitorjih sladkorja v krvi, pa do 5-Ah baterije, ki je vgrajena v različna baterijsko napajana električna orodja.

Dodatni viri:

  • Odkrijte rešitve TI za polnilnike baterij.

https://www.ti.com/power-management/battery-management/charger-ics/overview.html

  • Povezava na tehnični članek, »Premagovanje izzivov pri načrtovanju za nizko porabo toka v stanju mirovanja v majhnih napravah z baterijskim napajanjem«.

https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2019/08/29/overcoming-design-challenges-for-low-quiescent-current-in-small-battery-powered-devices

 

  • Ogled tehnične dokumentacije integriranega vezja BQ25125.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25125.pdf

Vir: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2019/10/01/when-to-use-rechargeable-batteries-in-small-battery-applications