Correta bateria para projetos de IOT

Correta  bateria para projetos de IOT

A correta escolha da bateria em projetos iot pode ser um dos fatores de sucesso no seu projeto.

As baterias são componentes complexos que exigem uma série de cuidados que se deve ter no desenvolvimento eletrônico do projeto. Principalmente quando envolve IOT, ou seja, se for dispositivos que devem trabalhar por longos períodos sem uma fonte de energia.

Para simplificar esse post vamos analisar somente dois grupos: as Alcalinas e o Lítio, pois são as mais comuns nesse tipo de projetos.

As baterias alcalinas:

As alcalinas são baterias não recarregáveis com típico valor de auto descarregamento de 2% ao ano e uma vida útil de 10 anos a 21 °C.
Sua tensão nominal é de 1,5 Volts, portanto.

A temperatura recomendada de trabalho geralmente vai de -18 a 55 C, mas a sua resistência interna é da ordem 150 a 300 milioHm dependendo do formato mecânico, etc esse valor pode ser mais alto.

Essas baterias não têm grande capacidade de fornecimento de altas correntes de pico, geralmente são usadas quando temos uma baixa corrente máxima nominal e pico.

Com essas características elas se tornam ideais para dispositivos IOT, com consumo de médio de corrente baixo e sem picos de correntes. Portanto não devem ser empregadas com modens GSM, onde podem ocorrer altos picos. Mas são interessantes para dispositivos Bluetooth, BLE, Zigbee , ESP32, SigFox e Lora, por exemplo.

As baterias de lítio (Lithio)

As baterias de lítio tem uma autodescarga de 5% nas primeiras 24 horas de 1 a 2% ao mês, ou seja, essas baterias exigem circuito de proteção que eleva a autodescarga para ordem de 10% ao mês.

A impedância dessas baterias é da ordem de 70 miliohm, sendo que geralmente as baterias menores apresentam maior impedância. A temperatura de operação vai de 0 a 45 graus, podendo ser estendido para algumas baterias especiais para uso em frigoríficos etc. No entanto, operação em baixa e alta temperatura dessas baterias sem serem projetadas para isso diminuem drasticamente a vida útil (número de recargas)

O armazenamento recomendado é da ordem de 50% da carga.

Essas baterias também tem classificação por concentração de íons de Lítio, com isso muitas vezes uma bateria de 3000 mAh pode ter na verdade muito menos do que essa capacidade. Ou seja, é sempre bom olhar o manual e verificar o mínimo de capacidade que o fabricante indica.

Outro problema é em relação a resistência interna que tende a aumentar com o tempo de uso e armazenamento da bateria e com isso diminuir sua capacidade de armazenamento.

Essas baterias são recarregáveis, mas durante esse processo é bom prever uma expansão de 1 mm, se não fizer isso pode ter a bateria perfurada e com isso problemas de gases inflamáveis.

A curva de carga típica é algo desse tipo:

Com a placa de proteção a bateria se desliga em 2,8 Volts e volta a ligar no pré-charger (tensão menor que 3 Volts) onde o carregador aplica pulsos limitados em corrente de 10% a 30% do valor ajustado como limite do carregador.

Acima de 3 Volts a bateria entra em um modo de corrente constante e o carregador fornece a corrente ajustada no projeto até atingir perto de 4 Volts
Dessa forma entra em modo limite de tensão até atingir 4,2 Volts.

Considera-se que a bateria está carregada quando a corrente de carga estiver próximo a zero e tensão em 4,2 Volts.

Esse ciclo deve acontecer dentro de um período de no máximo 3 horas.

Uma bateria de 3000mAh (1C= 3000mA) tem como corrente de pré-charger de 300mA a 900 mA (0,1 C a 0,3C)e corrente de carregamento de 1500mA (0,5C), portanto nesse caso temos que projetar o circuito de carregamento para 1500mA.

Essas baterias têm ciclos de carregamentos limitados normalmente 300 ciclos, com isso é sempre bom pensar em estratégias para fazer o carregamento quando a bateria estiver descarregada.

Conforme a tabela abaixo é possível ver que tem-se um grande concentração de energia perto do limite de carga (de 4,1 a 4,2 Volts tem-se aproximadamente 10 % de carga) portanto o carregador tem que ter uma grande precisão de leitura de tensão.

A relação entre voltagem e capacidade de carga depende da bateria, veja na tabela abaixo:

Essas baterias têm uma grande capacidade de descarga, com isso uma bateria de 1000mAh pode fornecer picos de 3000mA sendo ideais para dispositivos GSM.

O DW1A é o circuito de proteção mais comum encontrado no mercado.

Ele é composto de 2 mosfets que atuam como chave, mas separando a corrente em um caminho para carga e outro para descarga; Vários circuitos de comparação de tensão da bateria controlando os mosfets para proteção:

  • Dois caminhos um para carga e outro para descarga da bateria;
  • Acima de 4,3 Volts desliga o caminho de carregamento;
  • Abaixo de 2,8 Volts desliga com retardo caminho de descarga;
  • Acima de 2,9 Volts religa o caminho de descarga;
  • Abaixo de 1,2 Volts identifica curto com retardo e desliga o caminho de descarga;
  • Abaixo de 150mV dispara imediatamente proteção de curto-circuito desligando o caminho de descarga;
  • Proteção contra carregador invertido.

Quando o carregador da bateria ultrapassa o limite de 4,2 Volts o mosfet do caminho de carregamento desliga a bateria.

Mas quando a bateria atinge abaixo de 2,8 Volts um circuito de retardamento tem início, desligando o caminho de fornecimento de corrente da bateria.

A detecção de curto é feita por um comparador de 1,2 Volts com retardo e 150 milivolts de imediato desligando o caminho de fornecimento de corrente da bateria.

O caminho de fornecimento de corrente é novamente ligado quando a bateria é posta para carregar.

Conclusão

Um erro muito comum na avaliação de durabilidade de um dispositivo IOT é o de não considerar a descarga natural da bateria.

Muitas vezes vemos especificações de estimativa de vários anos e sabemos que na realidade esse cálculo foi feito levando em consideração somente o consumo de energia do circuito versus a capacidade da bateria.

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Correta escolha bateria para projetos de IOT

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