RDS: Selección de componentes: Batería.

Principalmente las baterías se pueden dividir en dos grupos, las recargables y las no recargables.

Las baterías no recargables, también conocidas como primarias, son aquellas que se desechan cuando se agotan. Las baterías recargables, también conocidas como secundarias, son aquellas que pueden ser recargadas una vez se han agotado. En general, su principal característica es la máxima corriente de descarga, que es mayor para las recargables, y el ciclo de funcionamiento, siendo mayor en las recargables.

De este modo, se utilizan las baterías recargables en aplicaciones que precisan extraer corriente relativamente elevada durante largos periodos de tiempo. No obstante, debido a su elevado precio, se utilizan cuando el coste de reemplazamiento en el caso de utilizar baterías no recargables es inviable.

Parámetros característicos

Las baterías no recargables se dividen a su vez en varios grupos dependiendo de su composición química, de este modo existen baterías de litio, alcalinas, de óxido de plata, óxido de níquel, de zinc-carbón, zinc-aire y muchas otras. Para poder realizar una comparativa es necesario conocer una serie de parámetros acerca de las baterías.

Capacidad de corriente

La capacidad de corriente es la cantidad de corriente entregada por una batería bajo unas determinadas condiciones. Se expresa como el producto de la corriente de descarga y el tiempo de descarga por lo que viene dado por Ah o más comúnmente en mAh. Por lo tanto se expresa como la cantidad de corriente que se puede extraer de la batería antes de que se descargue.

Entonces, para determinar la duración de la batería ante una corriente de descarga constante, basta con dividir la capacidad de corriente por la corriente de descarga aplicada, obteniéndose así las horas de duración de la batería.

Máxima corriente de descarga y tensión de operación

La tensión de operación en las baterías depende de la composición química de las mismas. En la práctica, esta tensión varía conforme se descarga y depende de la carga aplicada a la batería, es decir la corriente de descarga a la que es sometida la batería. Cuando la resistencia de carga disminuye, aumenta la corriente de descarga, la tensión de operación y la capacidad de la batería disminuyen. Estas variaciones dependen de la composición química de la batería y de la temperatura de operación (tienden a ser menores a menor temperatura).

La gráfica siguiente proporcionada por el fabricante Maxell muestra todos sus productos en función de la tensión de operación frente a la capacidad de corriente. Pese a que muestra sólo sus productos, se puede tomar como referencia.

Donde:

LR:Alcalina (tamaño micro).
SR:Óxido de plata.
TC:Titanio-Carbón-Litio recargable.
ML:Litio-Dióxido de Manganeso recargable.
ER:Litio-Thionyl-Chloride.
CR:Litio-Dióxido de Manganeso.
ICSP:Litio-ion recargable

Descarga de una batería

Una batería se puede descargar de diferentes formas dependiendo del tipo de carga, que tendrá un efecto directo en la vida de la batería. Los modos típicos de descarga son:

Resistencia constante. Es cuando la carga mantiene una resistencia constante a lo largo del ciclo de descarga. Al ser una carga resistiva, conforme se va descargando la batería, la corriente y la tensión decaen. Por lo tanto, la batería se descargará de forma rápida lo que implica una vida corta.
Corriente constante: Cuando la carga extrae la misma corriente durante la descarga. En este modo la vida de la batería es mayor que para la resistencia constante ya que se extrae siempre la misma corriente independientemente de la caída de la tensión de operación.
Potencia constante: La corriente de descarga aumenta mientras la tensión de operación decrece. Es el modo más eficiente ya que la batería se puede descargar más allá de su tensión final (tensión a la cual se supone que se ha agotado la batería) dado que se aumenta el consumo de corriente para compensar.

Generalmente, el fabricante facilita la característica de descarga para una resistencia constante.

Tamaño

(referencia http://data.energizer.com/SearchResult.aspx)

Las baterías presentan distintas formas y tamaños dependiendo de su composición química y de su capacidad de corriente. Principalmente, las baterías no recargables se presentan en tres encapsulados distintos; cilíndrico, de botón y rectangular.

En general, las baterías más voluminosas poseen una mayor capacidad de corriente. De este modo, los encapsulados más voluminosos son el cilíndrico (AA 50x14.5 y AAA 44.5x10) y el rectangular (9V 48.5x26.5) y las baterías de botón son mucho menos voluminosas (CR2025 2.5x20 y CR2450 5x24). Del mismo modo, la capacidad de corriente típica de una batería cilíndrica AA alcalina es de 2850mAh y de una AAA alcalina es de 1250mAh mientras que para las baterías de botón, la capacidad de corriente típica de una batería CR2025 es de 160mAh y para una CR2450 es de 620mAh. Hay que destacar que las baterías de botón son mayoritariamente de litio, cuya principal característica es que su tensión de operación es de 3V a diferencia del resto de composiciones químicas cuya tensión es de 1.5V.

Selección del tipo de batería

Las necesidades del proyecto respecto a los parámetros anteriores se muestran a continuación.

El sensor descargará la batería mediante una corriente constante ya que, para descargarla mediante una potencia constante, se precisaría de un regulador conmutado (DC-DC) el cual ajuste la corriente conforme caiga la tensión y este supondría un consumo superior al del sistema en reposo disminuyendo la autonomía.

Los resultados de la estimación de consumo muestran una corriente promedio del orden de 60µA en el peor de los escenarios. Es por esto que para que los dispositivos tengan, en el peor de los escenarios, una autonomía de como mínimo medio año, la capacidad de corriente necesaria vendrá dada por:

En cuanto a la tensión de operación, el dispositivo que precisa de la mayor mínima tensión de operación es el sensor, capaz de operar en un rango comprendido entre 2.4V y 5.5V. Es por esto que la tensión mínima de operación del nodo sensor es de 2.4V.

Por lo que respecta a la máxima corriente de descarga, se debe tener en cuenta que se precisan de breves pulsos de corriente del orden de 10mA. No obstante, la duración de estos pulsos es muy breve, centenares de microsegundos, por lo que la corriente promedio puede considerarse la de descarga.

También se debe tener en cuenta que se busca el menor tamaño posible y las dimensiones de la batería son las más significantes respecto el resto de componentes. No obstante, este no es un parámetro crítico, primando la capacidad de corriente (autonomía).

Conocidos los parámetros, la tabla siguiente muestra las principales características de las distintas baterías según su composición química.

Tal y como se ha estimado, el consumo de corriente es de unos 40µA en el peor de los escenarios por lo que la capacidad de corriente necesaria para asegurar un funcionamiento durante al menos medio año, en el peor de los escenarios, es de unos 173mA. Se observa que cualquier familia contempla la capacidad necesaria dentro del rango soportado. Es por esto que este parámetro no permite discriminar entre un tipo de batería u otro.

Atendiendo a la tensión de operación, la elección lógica son las baterías de litio ya que su tensión de operación es de 3V por lo que sólo se precisaría una batería. En el caso de utilizar otro tipo de batería como la alcalina, sería necesaria la asociación en serie de dos de ellas, con el consiguiente aumento de tamaño y coste que esto supone.

Considerando la corriente de descarga, Maxell facilita la tabla siguiente, en la que se muestran los distintos tipos de batería con las máximas corrientes de descarga que soportan (en verde).

En las tablas de la estimación del consumo se observa como la corriente de pico máxima es de unos 18mA. Esta corriente se mantiene durante un breve instante de tiempo por lo que en promedio es mucho menor. Es por esto que una batería comprendida entre 1mA y 10mA debería ser suficiente aunque someter a este estrés a la batería puede mermar su capacidad de corriente y su vida útil.

En cuanto al tamaño, las baterías más pequeñas son las de tipo botón. Las baterías CR de litio están en formato botón y como se ha comentado, al ser de litio, sólo se necesitaría una.

Por lo que respecta al coste, en la tabla se observa como las baterías alcalinas y las zinc-carbón son las de menor coste relativo. No obstante, se debe tener en cuenta que serían necesarias dos baterías en serie, debido a su tensión de operación, duplicando el coste y el tamaño.

Se concluye que la solución de compromiso es el uso de una batería de litio de botón. Además, su coste relativo alto no lo es tanto para las baterías de menor capacidad de corriente (CR2025 0.73€y CR3032 1.05€ de Panasonic).

Selección de la batería

Dentro de la gama de baterías de lítio de botón (gama CR) existen distintos modelos de batería que difieren del resto en su capacidad de corriente y en sus dimensiones. Por ejemplo, el fabricante Energizer facilita la siguiente tabla en la que se muestran sus productos de la gama CR.

Se han marcado con fondo gris las baterías que no cumplen la condición de almenos medio año de autonomía, de este modo cualquiera de las que tiene el fondo blanco asegura una autonomía mayor al medio año en el peor de los escenarios. La tabla siguiente muestra la vida de la batería en el peor de los escenarios para los distintos modelos.

La vida de la batería aumenta considerablemente al aumentar el tiempo entre medidas. Por ejemplo, si consideramos el escenario descrito anteriormente pero con un tiempo entre medidas de 60 segundos, el promedio de consumo es de 9.31µA tomando los valores máximos, por lo que la duración de la batería se muestra en la tabla siguiente.

Se pueden comprobar los cálculos realizados mediante la gráfica que proporciona Maxell, que muestra el consumo de corriente en función de la duración de la batería para toda la gama CR.

Dado que la vida útil es muy dependiente de la configuración del sensor, en concreto del tiempo entre muestras, se ha decidido que la batería sea seleccionada por el usuario dependiendo del uso que vaya a darle, de este modo se ahorran costes pues la batería CR2025 tiene un coste inferior a 1€ y la batería CR2450 tiene un coste de unos 3€.