La scelta delle batterie: come selezionare la batteria ottimale per il proprio progetto

La scelta e le considerazioni sulle batterie durante lo sviluppo di dispositivi wireless per l’Internet of Things sono spesso molto impegnative e coinvolgono elementi quali fattore di forma, capacità, corrente di picco, autoscarica, durata del prodotto, costi, eccetera, tutti aspetti dettati principalmente dai requisiti del prodotto e dai casi d’uso.

Lo scopo di questo articolo è in primo luogo quello di fornire una guida agli sviluppatori di sensori IoT su come selezionare la batteria ottimale identificando i requisiti del prodotto e i casi d’uso; in secondo luogo renderli edotti sui parametri chiave, le caratteristiche e il comportamento delle batterie più diffuse e, infine, fornire  informazioni su come determinare quale sia la giusta batteria necessaria per l’applicazione che si intende realizzare.

Requisiti del prodotto e casi d’uso

Una delle fasi iniziali nella selezione di una batteria è l’identificazione dei requisiti minimi e dei casi d’uso dell’applicazione. Di seguito è riportato un elenco di esempio di requisiti di prodotto e dei casi d’uso che hanno un impatto diretto sulla considerazione dei parametri della batteria:

• Dimensioni fisiche – spazio disponibile all’interno del prodotto
• Parametri elettrici – Intervallo di tensione di alimentazione, consumo di corrente di picco
• Profilo operativo – Frequenza e durata della trasmissione, ricezione, Misura e Sleep
• Aspettativa di vita – Shelf life e Service life
• Ambiente – Temperature di conservazione e funzionamento, presenza d’acqua e umidità
• Altre considerazioni – Costi, ricaricabilità e smaltibilità

Parametri chiave delle batterie

Il passo successivo potrebbe essere l’analisi complessiva di tutti i parametri delle batterie e la conseguente applicazione ai requisiti del prodotto da realizzare e ai casi d’uso.

• Chimica delle batterie

La maggioranza delle batterie sono costituite da due elettrodi ed un elettrolita. La combinazione dei materiali usati per realizzare questi componenti è ciò che determina la chimica della batteria. La chimica della batteria è un importante parametro perché ne definisce le proprietà, come tensione, corrente di carico, capacità, temperatura di funzionamento, autoscarica, ecc. 

• Batterie non ricaricabili

Le batterie non ricaricabili sono note come batterie primarie. Le batterie primarie sono costituite da celle elettrochimiche che producono una reazione chimica non reversibile. Di conseguenza, queste batterie non possono essere ricaricate e devono essere sostituite quando la loro carica si è esaurita.

Questo tipo di batterie ha generalmente una elevata energia specifica ed i dispositivi in cui vengono utilizzate sono generalmente progettati per un basso assorbimento, il che permette alle batterie di durare il più a lungo possibile.

Le più diffuse tra le batterie primarie sono quelle al Litio, Alkaline, e Zinco-Carbone. Questo gruppo ha una elevata energia specifica oltre ad essere ecocompatibili e sostenibile. Tuttavia, la bassa corrente di carico di queste batterie limita la loro applicazione a dispositivi aventi requisiti di corrente limitati, come telecomandi, allarmi antincendio, elettrodomestici e dispositivi portatili per entertainment.

• Batterie ricaricabili

Le batterie ricaricabili sono anche note come batterie secondarie, dato che possono essere ricaricate quando la loro energia sia stata esaurita. In questo caso, le reazioni elettrochimiche sono reversibili applicando una data tensione alla batteria nella direzione opposta.

Queste batterie rappresentano la sorgente standard di energia per le apparecchiature odierne, in particolare quelle portatili, come fotocamere, laptop, computer, tablet e telefoni cellulari. I vantaggi ambientali derivanti dalle batterie ricaricabili sono persino più importanti. Proprio per la loro caratteristica di essere ricaricabili, l’utilizzo di queste batterie riduce significativamente i rischi chimici potenziali con cui l’ambiente potrebbe entrare in contatto.

Sebbene il costo iniziale per entrare in possesso di batterie ricaricabili sia più elevato rispetto alle batterie primarie, nel lungo termine diventano economicamente più vantaggiose.

Le batterie secondarie possono essere ulteriormente classificate in diversi altri tipi in base alla loro chimica. Ciò è molto importante, dato che la chimica determina alcune delle loro caratteristiche importanti, tra cui l’energia specifica, cycle life, shelf life e prezzo. I tipi di chimica più diffusi tra le batterie ricaricabili sono Ioni di Litio (Li-ion), Nickel Cadmio (Ni-Cd), Nickel-Metallo Idruro (Ni-MH), e Piombo-Acido.

• SuperCondensatori

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Il “Super-Capacitor”, anche noto come “Ultra-Capacitor”, è differente dalle abituali batterie.  I Super-Condensatori infatti si ricaricano in pochi secondi, e con una minima degradazione della capacità. Inoltre, possono resistere virtualmente ad infiniti cicli di carica. I SuperCondensatori sono stati tradizionalmente utilizzati per applicazioni soggette ad improvvisi picchi di richiesta di energia o che utilizzano energia a raffiche.

Una diffusa tecnica di gestione degli elevati picchi di corrente è quella di utilizzare un SuperCondensatore per spostare il carico dalla batteria. Durante i periodi di elevata corrente il SuperCondensatore si comporterà come una fonte primaria di alimentazione mentre, durante i periodi di bassa corrente, sarà la batteria la fonte primaria e si occuperà anche della ricarica del SuperCondensatore.

I SuperCondensatori sono ideali quando è richiesto un rapido tempo di ricarica a fronte di una esigenza di alimentazione a breve termine anziché a lungo termine. La combinazione dei due in una unica batteria ibrida soddisfa entrambe le esigenze e riduce gli stress per la batteria, il che si riflette su una più lunga durata del servizio disponibile.

• Capacità e caratteristiche di autoscarica

La capacità delle batterie è misurata ed espressa in Ampere-hora (Ah). Gli Ampere-hora sono la corrente di scarica che una batteria è in grado di offrire nell’unità di tempo. Tutte le batterie risentono del processo chiamato “autoscarica”. Il grado di autoscarica dipende fortemente dalla tecnologia e dalla chimica utilizzati nella batteria. Nelle specifiche delle batterie viene sovente espresso un tasso di scarica in termini di C, dove C è la capacità della batteria diviso per le ore di utilizzo. Per esempio, C per una batteria da 1200mAh significa un livello di scarica di 1,2A in un tempo di 1 ora, mentre C/2 per la stessa batteria significherebbe 600 mA e C/10 solo 120mA.

• Corrente di Carico di Picco

È la corrente alla quale la batteria può essere scaricata in maniera continua. Questo limite è solitamente specificato dal produttore della batteria al fine di prevenire una eccessiva velocità di scarica che potrebbe danneggiare la batteria o ridurne la capacità. Durante l’effettivo funzionamento la tensione della batteria varia a seconda della corrente di scarica applicata (load). Come illustrato in Figura 1, quando la corrente di scarica aumenta la tensione di funzionamento e la capacità della batteria diminuiscono.

Per esempio, con una batteria da 5Ah la capacità ©, con un  discharge rate di 1 ora, e se la batteria ha un picco massimo di scarica di 5C, allora la corrente di carico di picco è di 25A. È importante ricordare che aumentando il tasso di scarica a 5C ciò ridurrà proporzionalmente la vita della batteria ad 1/5 d’ora.

Figura 1: Caratteristiche di scarica di una NCR18650B Energy Cell di Panasonic.

• Tensione di Cella

La Tensione di Cella varia in funzione della chimica scelta. A seconda dell’applicazione, la scelta della giusta batteria con la giusta tensione di cella può avere effetti sull’efficienza, complessità e costi della circuiteria di alimentazione nel dispositivo. Le batterie sono marcate con una tensione nominale, tuttavia, l’OCV (open circuit voltage) di una batteria completamente carica può essere tra il 5% e 7% più elevata.  In Figura 2 vi è uno schema di esempio di tensione di cella rispetto alla capacità di scarica per le diverse chimiche di batteria.

Figura 2: tensione di cella rispetto a capacità di scarica per le diverse chimiche di batteria.

• Temperature

I sensori IoT potrebbero dover essere collocati anche in siti con condizioni ambientali molto difficili, a seconda dell’applicazione e, l’affidabilità in tali condizioni, è una preoccupazione fondamentale. Le temperature di ricarica e scarica in quelle condizioni diventano parametri molto importanti. A temperature elevate, il tasso di autoscarica aumenta oltre il valore nominale basato sul tipo di chimica della batteria.  Per esempio, le batterie Zinco-Carbone e Alkaline generalmente non sono indicate per un funzionamento sotto 0°C. Le batterie al Litio possono invece essere operative fino a  -40°C ma con una significativa caduta delle performance.

In applicazioni con ricaricabili, le batterie agli Ioni di Litio possono essere caricate fino al valore massimo solo all’interno di una stretta finestra di temperature compreso tra 20°C e 45°C. Al di fuori di questa soglia, devono essere utilizzate correnti e tensioni inferiori, con l’effetto di un aumento del tempo di ricarica.

Figura 3: Caratteristiche di scarica per temperatura di una NCR18650B Energy Cell di Panasonic.

• Shelf-Life

La maggior parte delle batterie, in particolare quelle con un elettrolita acquoso, subiscono una lenta autoscarica quando lasciate a circuito aperto. La velocità con cui ciò accade dipende dalla chimica delle celle, dal tipo di costruzione e soprattutto dalla temperatura di conservazione. Di solito, il tasso di autoscarica aumenta con la temperatura. La durata di conservazione o Shelf-life è una preoccupazione più per le batterie primarie che per le batterie secondarie, poiché queste ultime possono sempre essere ricaricate prima dell’uso.  Le moderne batterie primarie alcaline hanno una durata di conservazione di diversi anni a 20°C, il che risulta adeguato per la maggior parte degli scopi, mentre la conservazione a temperature ambientali elevate può degradare la batteria. 

Metodi di Test

È sempre una buona pratica verificare se le caratteristiche di una batteria sono conformi con quelle indicate dal produttore. Alcuni degli strumenti utilizzati per questo scopo sono: digital multimeter (DMM), oscilloscopi con sonda di corrente, DC power analyzer, source/measure unit di precisione (SMU) e analizzatori di forma d’onda della corrente del dispositivo. Il DMM e l’oscilloscopio sono generalmente economici ed è abituale trovarli in un laboratorio. La loro familiarità d’uso può offrire rapide risposte di una precisione accettabile a molte domande. 

Comparazione tra le diverse Batterie

La seguente tabella confronta le caratteristiche delle batterie di uso comune in applicazioni IoT a ridotto consumo. Questi importanti parametri dovrebbero essere presi in considerazione durante il processo di selezione.

TABELLA

Chemistry	Lithium Cobalt Oxide	Li-Poly	Lithium Titanate	Nickel-cadmium	Zinc -Carbon	Alkaline
Type	Secondary	Primary	Secondary	Primary	Primary	Primary
Voltage	3.20V – 3.8V	3.20V – 3.8V	2.0V-2.7V	1V -1.5V	1.2V – 1.8V	1V-1.8V
Specific Energy	150–200Wh/kg	100–150Wh/kg	70–80Wh/kg	45–80Wh/kg	250Wh/kg	250Wh/kg
Discharge Rate	1C (1h)	1C, 10C possible	10C possible	Can be above 1C	Can be above 1C	1C
Self-Discharge per Month @ 25°C	<5%	<5%	<5%	20%	7%	<0.3%
Operating Temperature	-20°C to 50°C	-20°C to 50°C	-20°C to 50°C	-20°C to 50°C	-4°C to 50°C	0°C to 60°C
Peak Load Current / Best Result	2C /<1C	>10C/<5C	>30C/<10C	20C/1C	10C/1C	20C/1C
Packaging	prismatic and pouch cell	prismatic	prismatic	A, AA, C, also in fractional sizes	A, AA Button cells	AA, AAA, C, D, 9V
Applications	Mobile phones, tablets, laptops, cameras	Power tools, medical devices, powertrains, Sensors ,TV Remotes	UPS, EV, solar street lighting	Main battery in aircraft (flooded), wide temperature range	Primary: Watches, memory backup; Secondary: Aerospace, missiles, military, TV cameras	Flashlights, toys, entertainment devices
Characteristics	High energy, limited power. Market share has stabilized.	High power, less capacity; safer than Li-cobalt; often mixed with NMC to improve performance.	Long life, fast charge, wide temperature range and safe. Low capacity, expensive.	Robust, forgiving, high maintenance. Only battery that can be ultrafast charged with little stress	Low cost ,high production poor low temperature performance, low energy density	Regular alkaline should not be charged; danger of leakage, gas, explosion, High production , popular ,moderate cost

Fonte: Batteryuniversity.com

 

Battery Life Calculator

Questo strumento d’uso generale può essere utilizzato per calcolare la vita delle batterie e la loro capacità:

Itotal = Consumo totale di corrente (milliamp) = ((Iw*Tw) +(Is*Ts)) / 3600000

Vita della batteria (giorni) = (c/Itotal)/24

Vita della batteria (anni)  = days/365

dove

C = Capacità della batteria (mAh)

BL= Vita della batteria (anni)

Is = Corrente quando il dispositivo è in Sleep (mA)

Iw = Corrente quando il dispositivo è in Active (mA)

Iw  = Itx+ Irx + Imeas

Itx = Corrente quando il dispositivo è in modalità Transmit

Irx = Corrente quando il dispositivo è in modalità  Receive

Imeas = Corrente quando il dispositivo è in modalità  Measurement [dipende dalla applicazione e tecnologia utilizzata]

Ta = Tempo di durata quando il dispositivo è in Active

Ta = Ttx+ Trx +Tmeas

Ttx = Tempo di durata quando il dispositivo è in modalità Transmit

Irx = Tempo di durata quando il dispositivo è in modalità Receive

Imeas = Tempo di durata quando il dispositivo è in modalità Measurement  [dipende da applicazione e tecnologia utilizzata]

D = tasso di scarica  (%)

N = Numero di volte in cui il dispositivo sarà Active in un giorno

c = Capacità dopo considerazione del discharge rate (mAh)

c = C*((100 – D)/100)

T = Millisecondi per ora = 3600000

Tw = Tempo trascorso in Active per ora = (Ta*N)/24

Ts = Tempo trascorso in Sleep per ora = T –Tw

 

Esempio di scelta della batteria

Sulla base delle informazioni sopra descritte nel documento, il seguente è un esempio del processo di selezione della batteria per un’ipotetica applicazione di sensore.

Sensore porta e finestra, TBDW100 915.

I parametri chiave necessari per la scelta della batteria:

Dimensione fisica: 50mm x 20mm x 50mm

Temperatura: -20°C a +50°C

Tensione Massima: 3,6V

Tensione Minima: 3,1V

Corrente Minima /corrente Sleep: 5uA

Corrente Massima /corrente Tx: 135mA

Numero di volte in cui il dispositivo sarà Active in un giorno: 36

Vita attesa della batteria espressa in anni: 4 anni

LoRa è la tecnologia utilizzata e su cui è basata la funzione del sensore, e ora è possibile calcolare il consumo di corrente all’ora quando il dispositivo è attivo.

Tecnologia: LoRa

I parametri di LoRa devices e LoRaWAN protocol possono essere prudenzialmente stimati come: Payload = 8 bytes, SF = 10 e BW 125.

 

Basato su SX12xx IC spec

Corrente massima / corrente Tx: 135 mA

Tx time / ToA: 250 ms (Calcolato utilizzando il calcolatore LoRa)

RX Time (RX1+RX2) = 2^SF/BW*8*2 :131 ms (Alessia guardi originale)

Corrente RX: 13 mA

 

Basato sulle specifiche del sensore IC 

Measurement Current: ~ 4mA

Measurement time: 10ms

 

Tempo di durata quando il dispositivo è Active per ora (TX time + RX Time +Measurement time): 391 ms

Corrente quando il dispositivo è in Active (TX current +RX current +Measurement current): 148mA

Scarica (%) (Solitamente la batteria non è utilizzata al suo pieno potenziale): 15%

 

Inserendo questi valori con il calcolatore della batteria sopra,

Capacità batteria = 1200 mAh

• Sulla base delle informazioni raccolte in questo esempio, è ora possibile definire i requisiti chiave necessari per la scelta della batteria:
• Per questa applicazione, che è un sensore per porte e finestre, non è necessaria una batteria ricaricabile e dovrebbe essere scelta una batteria primaria.
• Considerando le dimensioni fisiche del sensore, dovrebbe essere presa in considerazione una pila a bottone o una batteria di dimensioni ½ AA.
• Considerando l’intervallo di temperatura da -20°C a +50°C e la tensione nominale 3,6V, sarà necessario decidere la chimica della batteria che supporta questi criteri.
• La corrente massima è di 135 mA, quindi è necessario cercare una batteria con una corrente di carico di picco superiore a 135 mA; inoltre è necessario controllare la velocità di scarica massima nelle specifiche della batteria. Ad esempio, supponiamo che la batteria con capacità di 1200 mAh abbia la massima velocità di scarica C, la corrente di picco supportata sarà 1200mA.
• La durata attesa della batteria sarà di 4 anni e, in base ai calcoli di cui sopra, sarà necessaria una batteria con una capacità di 1200 mAh.

Con i requisiti chiave elencati, è possibile confrontare le caratteristiche delle batterie disponibili con quelle della batteria necessaria e selezionare la giusta batteria. Per l’esempio sopra, la batteria selezionata era 3,6 V 1/2AA Li-SOCI2 1200mAh, che soddisfa tutti i requisiti della batteria cercata. 

 

Conclusioni

Nel processo di selezione delle batterie, indipendentemente dal fatto che vengano prese in considerazione le batterie primarie o secondarie, il progettista si trova di fronte ad un’ampia varietà di modelli, pertanto il processo di selezione delle batterie non può essere ricondotto ad una scienza esatta. Di rado la batteria di sistema soddisfa tutti i requisiti di una determinata applicazione. Di conseguenza, il processo di selezione di solito comporta compromessi tra il requisito della batteria e le caratteristiche effettive.

Nel selezionare una batteria, gli step presentati in questo documento dovrebbero essere seguiti. Determinare i requisiti della batteria, elencare i requisiti in ordine di importanza e confrontare le caratteristiche di ciascun sistema di batterie con i requisiti della batteria necessari. Sulla base di questi step, è possibile determinare il necessario compromesso sulla base del sistema della batteria.

Riferimenti:

• https://batteryuniversity.com
• https://www.batteryspace.com/prod-specs/NCR18650B.pdf
• https://iot-shop.de/wp-content/uploads/2018/08/Tabs_DoorWindow_11-DEC-2017.pdf

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A cura di Srinivas Naik,
RF Systems Application Engineer
resso Semtech Corporation.