La batería principal muere después de 5 meses en lugar de 25

Hemos diseñado una placa de circuito impreso con un módulo Bluetooth de potencia ultrabaja con el objetivo de que funcione con baterías durante aproximadamente 2 años. Hemos medido el consumo de energía, es de 400uA de media con picos de 20ms a 3mA cada 500ms.

Elegimos poner 3 baterías alcalinas C clasificadas para 7'200mAh en serie. Nuestro rango de voltaje de trabajo es de 5V a 2V. Por lo tanto, esperamos 18'000 horas de autonomía, es decir, 25 meses.

El problema: después de 5 meses de encendido, el sistema dejó de funcionar. Descubrimos que una de las tres baterías está completamente agotada, mientras que las otras dos todavía tienen algo de energía (1,3 V para las vivas y -0,6 V para la muerta). Medimos las impedancias entre los conectores de las baterías, nada por debajo de MOhm.

La pregunta es: ¿por qué estas baterías se agotan después de solo 5 meses? ¿Tenemos mala suerte con estas baterías? no es muy probable porque ocurre en unos 5 dispositivos. No parece que haya ningún consumo de energía no deseado, lo medimos con un amperímetro en serie con una fuente de alimentación externa y también agregando una resistencia de 330 ohmios en serie de las baterías reales para poder ver los picos usando un osciloscopio, los resultados fueron consistentes. ¿Qué nos estamos perdiendo?

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simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Editar: más detalles sobre la medición actual

Se ha realizado una primera medida reemplazando las 3 celdas por una fuente de alimentación y un amperímetro en serie. con esto, pudimos cambiar fácilmente el voltaje de suministro para ver cómo cambiaba la corriente. Fue como se esperaba, es decir, alrededor de 400 uA con 4,5 V y alrededor de 600 uA con 3,3 V, lo que debería representar la mayor parte del tiempo con celdas reales.

Se realizó una segunda medida agregando una resistencia de 330 ohmios en serie de las celdas y observamos el voltaje en la resistencia usando un osciloscopio. Hicimos la medición con celdas reales y una fuente de alimentación. Se encontraron los mismos promedios que con el método anterior. y pudimos ver los picos de 3mA. Observamos la señal durante unos 15 minutos sin ninguna irregularidad. Consulte la captura de pantalla del osciloscopio a continuación para obtener más detalles.

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El dispositivo funciona exactamente en el mismo estado y entorno durante estas mediciones que el uso real en el que descubrimos la corta duración de la batería.

¿Qué tan seguro está de la precisión a largo plazo de esa medición de 400 uA? Por ejemplo, tal vez entre en una condición de error cada minuto en la que consume mucha más energía. ¿Qué módulo bluetooth es este?
Los factores ambientales (es decir, temperatura, presión barométrica, humedad, etc.) afectarán el comportamiento a largo plazo y la confiabilidad de las baterías. Muy rara vez confío en la clasificación de mAh especificada. Además, de lo que realmente deberías partir es de la calificación de mWh. mAh no es suficiente para calcular cuánto tiempo se puede esperar que algo funcione con la batería porque no es constante durante la vida útil de la batería
Para empezar, realmente no creo que las pilas alcalinas sean buenas para un servicio prolongado. Habría elegido NiMh o Li.
Las baterías alcalinas de @ClaudioAviChami en realidad tienden a durar más que las de NiMh o Li debido al hecho de que su "caída" en su EOL es mucho más lenta. El único beneficio que tienen las baterías NiMh o Li es que (suponiendo que sean secundarias) se pueden recargar. Sin embargo, no durarán tanto como los alcalinos.
@ BeB00 Las mediciones se realizaron durante aproximadamente 15 minutos con un osciloscopio para detectar irregularidades, no ocurrió ninguna. El chip es un uBlox NINA-B1.
@DerStrom8 Está destinado y se ha utilizado solo en condiciones de habitación. Definitivamente, las clasificaciones de mAh no son óptimas, pero definitivamente esperaba un mejor aproximado de 25 meses en lugar de 5.
La verdad es que no me sorprenden los resultados. A medida que disminuye el voltaje de la batería, la corriente requerida para mantener el dispositivo en funcionamiento aumentará (para mantener una potencia constante). Esta es la razón por la cual la calificación de mWh es tan importante. Cambiar por un factor de 5 no me sorprende mucho. Que baterias estas usando? No se trata de que "el uso de mAh no sea óptimo", se trata de que "el uso de la clasificación de mAh no sea remotamente preciso o confiable". Al comienzo de la vida útil de la batería, su clasificación de mAh puede ser precisa, pero caerá muy rápidamente.
@ClaudioAviChami Elegimos las pilas alcalinas porque se adaptan bien a la corriente limitada que necesitamos, la vida útil es buena (anuncio de 10 años) y su precio es realmente interesante en comparación con el litio, que parece ser otra opción viable.
Aquí hay un gráfico que muestra cómo la capacidad de la batería (mAh) disminuye con el tiempo: mpoweruk.com/images/auto%20reliability.gif
@ DerStrom8 ¡Aportación interesante! Estamos utilizando Energizer EN93 ( data.energizer.com/pdfs/en93.pdf ). Definitivamente, la corriente aumentará, pero como la mayor parte de la energía está entre 1,5 V y 1,2 V (lo que observamos en los registros a largo plazo), espero un aumento de la corriente de un factor de 1,2 (medición realizada a 1,6 V) en peor durante este intervalo. Lo que parece inconsistente con el factor 5 en la capacidad. ¿Qué opinas?
@Puck Lamentablemente, la hoja de datos no muestra los gráficos o los datos que esperaba. De todos modos, su factor de 1.2 podría tener sentido si la capacidad se mantuviera constante durante la vida útil de la batería, pero no es así como funcionan las baterías. Desafortunadamente, me estoy acercando a los límites de lo que sé sobre la duración de la batería, todo lo que puedo decir es la experiencia. En casos como este, realmente necesita confiar en los datos experimentales porque hay muchos factores que afectan el rendimiento de la batería. Los datos teóricos son prácticamente inútiles en este punto.
Cuanto más "golpee" sus baterías con la demanda actual (a medida que el voltaje disminuye con el tiempo), más rápido se reducirá su capacidad y obtendrá el efecto de avalancha mucho antes de lo que normalmente esperaría.
¿Hay alguna posibilidad de que haya entrado humedad o condensación en el dispositivo? Eso agregaría un camino conductor para drenar la batería.
3mA para un C tell es una pequeña corriente. Deberían manejar eso sin problemas. Una cosa para verificar: ¿están todas las celdas en el sentido correcto? Lo que estás viendo sería el efecto si una de las celdas estuviera al revés.
@τεκ Difícilmente, esto está dentro de una carcasa totalmente impermeable.
@Puck ¿Condensación quizás? ¿Se selló la caja al aire seco o con un desecante?
@SimonB Exactamente lo que pienso también, 0.0004C no parece demasiado. Puedo asegurar que todas las celdas están en el camino correcto.
@τεκ Tal vez condensación... La caja se selló en condiciones ambientales sin desecante. Intentaré investigar en esta dirección, pero podría ser difícil probar algo.
¿Células baratas/falsas?
@Passerby Espero que no, son Energizer EN93 industriales que obtuvimos de Digikey.
@Puck, ¿puede dar más detalles sobre cómo midió las corrientes que mencionó? ¿Estaba el módulo bluetooth hablando con quien se suponía que debía? ¿Podría ser que la resistencia de 330 ohmios esté suavizando los picos? Además, ¿probó en varios voltajes de entrada posibles?
@FrancoVS Ciertamente. Por favor, mira mi edición.

Respuestas (1)

Un par de observaciones:

  • Quizás una de las celdas estaba defectuosa o tenía una capacidad inferior a la especificada, aún así tenía que entregar la misma corriente que las demás y se agotó más rápido. Después de que el voltaje cayó a un valor más bajo, el regulador comenzó a pedir más corriente acelerando el drenaje.

  • Para aplicaciones de potencia ultrabaja, 400 uA es un poco alto como consumo de referencia. El módulo Bluetooth y el microcontrolador deben tener un consumo de modo de suspensión de nivel sub-uA o pocos uA, tal vez pueda analizar la optimización. Una vez que estaba diagnosticando un nodo inalámbrico de baja potencia, descubrí que los pines de entrada flotantes en el microcontrolador causaban la mayor parte del consumo de corriente del modo de suspensión (alrededor de 100 uA); después de la corrección, llegó a 0,1 uA.

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