¿Por qué las baterías en los productos electrónicos de consumo se usan de manera desigual?

Siempre habrá alguna variación en la capacidad entre las baterías. En el uso de juguetes, la corriente normalmente se extrae a un nivel alto en comparación con muchas otras aplicaciones, por lo que la resistencia interna de las baterías es muy importante.

En ese servicio, el voltaje bajo carga cae bastante rápido a medida que se acerca el final de la vida útil, por lo que con pequeñas diferencias en la capacidad, las celdas pueden tener voltajes bastante diferentes.

Sin embargo, es probable que las que parecen estar en buen estado estén muy cerca del final de su vida útil, a menos que las células no se hayan reemplazado todas al mismo tiempo con células igualmente nuevas. El desajuste en la cantidad entre el empaque y el uso (por ejemplo, celdas empaquetadas en 4 y usadas en 3) puede contribuir a un desajuste en la capacidad.

En los gráficos anteriores para una celda Panasonic AA, puede ver que el voltaje cae durante un período de unas pocas horas de 1 V a 0,8 V. Una radio dura unas 130 horas y el declive es mucho más suave. Una vez que el voltaje cae por debajo del final de la vida útil de 800 mV, caerá rápidamente a un voltaje mucho más bajo e incluso puede invertirse (bajo carga, o incluso después de quitar la carga) debido a la gran corriente inversa suministrada por las otras celdas en el juguete. tipo de servicio.

Los probadores de batería generalmente funcionan aplicando una carga a la batería y midiendo el voltaje. La carga aplicada es necesariamente un compromiso entre los requisitos de aplicaciones dispares.

Si su probador de batería consume una corriente relativamente pequeña, aún puede pensar que las celdas que están casi agotadas están bien (¡y están bien, en una radio!) Pero no puede confundir las celdas que se han cargado inversamente hasta la muerte. Esta es una razón por la cual algunos probadores de baterías tienen la opción de elegir corrientes para probar: a una corriente más alta, las celdas aparentemente "verdes" probablemente estarían en el rango ámbar.

En un juguete típico, las baterías simplemente se conectan en serie y el juguete requiere un cierto voltaje total a una corriente relativamente alta para funcionar. La cadena en serie de baterías es tan fuerte como su eslabón más débil, por lo que si una batería está muy agotada, los motores, etc., no obtendrán suficiente voltaje para funcionar.

Los juguetes a menudo se suministran con las celdas de batería más baratas que pueden ser de menor capacidad, pero también tienen la tolerancia más amplia. Esta tolerancia y "la célula más débil falla primero" es la regla general.

Para entender esto, modele cada batería como un capacitor cargado, digamos 1000 faradios +/- 20 %. Luego colóquelos en serie con el mismo voltaje inicial y cárguelos con, digamos, 100 ohmios, y simule o calcule el final de la carga usando las tolerancias del peor de los casos, digamos tres celdas +20, 0 y -20 %.

Entonces lo entenderás. Las baterías de polímero de litio y de automóviles, por otro lado, comienzan con un 0,1 % y luego envejecen hasta un 10 % antes de la muerte de una sola célula con una tolerancia de más del -90 % de la carga inicial.

ESR aumenta y C cae en valores hacia el final de la carga rápidamente.

Si analizas esto, entonces lo entenderás.

Saqué el valor C de la nada para una comprensión simple, pero depende de la calificación de mAh por hora. I _c = C * dV/dt donde dV suele ser de 1,6 a 1 V = 0,6 V dependiendo de la química, pero la clasificación de mAh es I* dt = C * dV, por lo que 50 mAh = 50 mA * 3,6 ks cuando se clasifica durante algún período como 1 C = 20 h, pero todas y cada una de las baterías también tienen algún valor de ESR, donde se aplica una amplia tolerancia y la ESR generalmente cae con una clasificación de mAh en aumento que cambia tanto con un SoC bajo como con una antigüedad prolongada.

La regla general es que la ESR a veces se relaciona con Ah, PERO no de una manera.

Al final, la RESPUESTA a su pregunta es que la celda de la batería con el valor C [F] más bajo DECAE MÁS RÁPIDAMENTE. Cuando está en serie, si se mantiene, también se cargará inversamente. siguiente pregunta por favor...

Bien, aquí hay una comparación de las capacidades de las pilas AA.

Tenga en cuenta que el "estándar DURACELL" es 2000 mAh o 2Ah o 7200A-segundos

• EE sabiduría común:

  • $f_{-3dB}=\dfrac{0.35}{t_R}$tiempo de subida 90% a 10% o 10 a 90%
  • RC=T o L/R=T se define como tiempo asintótico,
    • para T = caída RC de 1 a 1/e * 100 % ~37 % o 0 a ~63 %

• pero la información de marketing de la batería a veces usa la capacidad Ah usando 100% SoC a 0%, por lo que existen algunas diferencias en los estándares de tiempo de medición.

Sin embargo en ambos casos la energía almacenada es E= ½CV² pero en el caso de una batería recomiendo E=½C(Vi²-Vf²) como Vbat desde inicial, Vi al 100% Soc a Vf final pero 10% SoC para evitar descargas profundas envejecimiento rápido.

Cada voltaje depende mucho de la temperatura de la celda; pero según recuerdo;

si pones una ligera carga para quitar la memoria a corto plazo, la medida Vbat (100%)

• Lipo ΔV=0,7 de 3,6 a 3,0 V
• Plomo ácido = 12,5 a 11,5 V
• Alcalino = 1.5V a 1V

Además de las notas sobre las tolerancias de fabricación de la batería, he visto (al menos uno) dispositivo que separaba las conexiones eléctricas de la batería a diferentes partes del circuito.

En mi caso, era un reloj despertador barato con 3 pilas AAA, 2 estaban en serie para hacer funcionar la electrónica, y luego un tercero estaba en serie con los dos primeros para hacer funcionar el LED/Alarma.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

No creo que esto sea común, pero es otra posible explicación.

re: ¿Por qué las baterías en los productos electrónicos de consumo se usan de manera desigual?

1. Mala calidad de las células y/o las células proceden de diferentes lotes. Esto puede resultar en diferentes tiempos de descarga/carga. Los dispositivos (juguetes) generalmente requieren un mínimo de V & A para funcionar correctamente. Una vez que la(s) celda(s) más débil(es) no pueda(n) proporcionar su parte de la V & A necesaria para operar el dispositivo, entonces el dispositivo comenzará a funcionar por debajo de lo esperado o se detendrá por completo. Dependiendo de la inteligencia de su cargador y probador, a medida que las celdas envejecen, esa diferencia puede magnificarse hasta el punto de que cuando mide las celdas, encuentra que una celda se ve "verde" en su probador mientras que la otra celda parece muerta o casi muerta. .

2. Los usuarios a menudo mezclan y combinan celdas en sus cargadores y en sus dispositivos, a menudo mezclando celdas recargables más antiguas con celdas más nuevas, y algunas veces incluso mezclando celdas recargables con celdas primarias (desechables). A medida que las celdas recargables envejecen, tienden a perder capacidad de carga y tienden a tener diferentes perfiles de descarga/carga (en comparación con las celdas nuevas). Dependiendo del cargador utilizado, eso podría significar que un usuario usa múltiples celdas con diferentes cargas en su dispositivo, lo que por supuesto hará que el dispositivo solo funcione mientras la celda más débil pueda proporcionar suficiente energía (que generalmente es un tiempo mucho más corto que el que las celdas más nuevas y de mayor capacidad proporcionarían energía a un dispositivo).

re: ... ¿por qué no tener una sola batería?"

Una batería es un conjunto de celdas. Por supuesto, se podría fabricar una celda más grande para su aplicación específica; sin embargo, esa celda probablemente sería menos útil para construir baterías para otras aplicaciones en comparación con los diseños de celdas actuales.

re: "¿por qué el dispositivo se detiene y no comienza a usar la batería buena?"

A veces (dependiendo de la conectividad de la celda) la energía de una buena celda puede mantener un dispositivo funcionando mientras las otras celdas más débiles están fuera. Otras veces eso no es posible porque la capacidad de salida de energía (VA) de la batería ha disminuido por debajo del umbral mínimo que se requiere para operar el dispositivo.

Se sugirió que una batería no puede modelarse como un condensador porque no puede resonar con un estrangulador (también conocido como reactor).

Esto es falso y solo prueba que Q es demasiado bajo para resonar y no es un requisito para ser un capacitor (con un voltaje de unión de compensación química como un diodo que debe polarizarse correctamente)

Sabemos que para un circuito de tanque en serie, la relación entre la reactancia y la resistencia = Q debe ser >1 para resonar y >1 durante mucho tiempo, donde Q=0,7 se define como amortiguamiento crítico.

Puedo decir con seguridad que las baterías son condensadores de bajo Q ultra (pobres) sobreamortiguados.

prueba

Usando un solo modelo C para una batería (aproximación de primer orden)

Q=|Xc(ω)|/VSG =$\dfrac{1}{ESR*2\pi fC}~~~Q=\dfrac{0.16T_r}{T} \text{ for T=ESR*C} ~~$

$~ T_o=\frac{1}{f_o} \text{ res. freq. e.g. ~LiPo: T=100kF*5mΩ=500s {min.theoretical drain time}}$

• pero NUNCA cortocircuite un LiPo sin fusible, ya que el aumento de calor hará que explote.

Para Q>>1 o 0.16Tr/500 >1 período de ciclo so Tr>>3125 s o >> 52 minutos

Luego elija estrangulador similar o mejor Q>>1 L/R>>52 minutos egeg>>100H/30mΩ

Es por eso que no es posible hacer un oscilador LC con una batería.

Algunos transformadores como el siguiente tienen una Q cercana pero < 1 con constantes de tiempo prolongadas.

Por cierto, por diversión, apliqué una celda LiPo 18650 a través de los devanados primarios de un transformador como el de arriba en una fábrica y, como se esperaba, V = LdI / dt fue una rampa lenta SOBREamortiguada hasta la saturación. ¡Qué tanque!

La realidad es que las baterías son enormes SuperCaps con decenas de miles de faradios pero constantes de tiempo muy largas y, por lo tanto, Q baja.

Pero para responder a tu pregunta.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Para responder a tu última pregunta:

Si un dispositivo funciona con 2 baterías AA, generalmente se conectan en serie, lo que significa que los voltajes se suman para convertirse en el voltaje de funcionamiento. En este caso 2 * 1.5V = 3V. El dispositivo puede funcionar solo hasta cierto umbral, que difiere de un dispositivo a otro. Digamos que el dispositivo está diseñado para 3V y puede operar con voltajes mayores a 2V. En este caso, una de las baterías todavía puede tener una carga casi completa (por ejemplo, 1,4 V), pero la otra está completamente descargada a 0,2 V. Esto equivale a un voltaje en serie combinado de solo 1,6 V que ya no alimentará el dispositivo.

Cada batería tiene un ciclo diferente de carga o descarga. Incluso la batería más excelente y costosa tiene algunas diferentes, independientemente del mismo lote o lote diferente del mismo modelo y fabricado por la misma empresa.

Puede encontrar este fenómeno no solo en baterías de juguete más baratas que normalmente vienen con pares de un solo par, sino también en varias fuentes. Mi experiencia personal muestra que el uso de baterías de grado industrial en la red de telecomunicaciones también se degrada de manera diferente dentro del mismo banco de baterías.

Como mencioné antes, incluso con el mismo modelo y el mismo patrón de uso, cada batería se comporta de manera diferente en el nivel atómico cuando se carga o se descarga. También existe la influencia del entorno circundante de la batería (la batería del medio en el banco de baterías tuvo una exposición a temperaturas más altas) que crea un rendimiento y una esperanza de vida desiguales.

Así que no es un caso aleatorio, pero la mayoría de las veces muestran actuaciones diferentes incluso actuando juntos...