Rendimiento de la batería alcalina a -30 Celsius

Estoy haciendo un proyecto de IoT y planeo alimentarlo con baterías alcalinas. Su seguridad y bajo costo son realmente atractivos. Su baja capacidad de descarga no es un problema. Las baterías deben poder suministrar 500 mA a un convertidor elevador, pero solo por unos segundos cada semana. Durante todo el tiempo que no sean esos pocos segundos, las baterías deben suministrar alrededor de 10uA.

Mi único problema es la temperatura. El dispositivo debe funcionar a temperaturas de -30 grados centígrados. No puedo encontrar una fuente completa de los efectos de las pilas alcalinas que funcionan a esa temperatura. En el gráfico de Duracell AA Coppertop se muestra un ejemplo de rendimiento a temperaturas más bajas:ingrese la descripción de la imagen aquí

La pérdida de energía no se ve tan mal allí. Otra fuente es menos optimista, especialmente a temperaturas más bajas como los -30C requeridos:ingrese la descripción de la imagen aquí

En condiciones ideales, las baterías durarán años según el consumo actual de mi proyecto. Sin embargo, cuando es el mes más frío del invierno y tienen que soportar una media de -10C con una mínima de -30C, podría aceptar si sobreviven solo 1 mes. Además, todavía tienen que poder proporcionar hasta 500 mA. Con base en este gráfico,ingrese la descripción de la imagen aquí

Parece probable que con la resistencia interna cambiando de 0,2 ohmios a temperatura ambiente a 0,5 ohmios a -30C, eso probablemente sea posible, pero tampoco estoy seguro de esto.

TLDR

Agradecería que alguien con experiencia con baterías alcalinas dé su opinión sobre la viabilidad de que las baterías alcalinas sobrevivan a la temperatura mínima de -30 °C , temperatura promedio de -10 °C durante al menos un mes , mientras pueden generar 500 mA durante unos segundos. No todas las baterías son iguales, así que tal vez algunas alcalinas sean capaces de satisfacer mis necesidades mientras que el promedio no lo es.

O utilice una batería que especifique su comportamiento en el rango de temperatura necesario o póngase en contacto con el fabricante y solicite especificaciones, si las tiene pero no las publicó en sus documentos simplificados. Hay momentos en los que tiene la intención de usar un dispositivo más allá de su rango de especificaciones y más allá de lo que el fabricante tiene en él. (Lo he hecho con partes de Burr Brown). En tales casos, hablo con uno de los diseñadores principales de la parte. Pueden buscar los detalles y darle una opinión informada. Eso es a menudo lo suficientemente bueno.
debes estar cerca de Winnipeg a -30'C mi ciudad natal. Necesita baterías $ especiales o reduce mucho la capacidad. Usamos Óxido de Plata [paquetes en los 70's a -50'C
En mi caso, el diseñador de BB simplemente invocó las máscaras IC que había desarrollado, buscó anchos de trazos aluminizados para mí y encontró un punto débil a lo largo del camino del que no había sido consciente antes de que yo se lo preguntara. Luego buscó las limitaciones de ese punto débil para mí (tenían tablas y demás) y me hizo saber su opinión sobre la corriente máxima que podía usar en su entrada sin correr el riesgo de una migración excesiva de metal y la eventual destrucción de ese segmento de traza. También pudo decirme cuánto podía empujarlo y cuánto me costaría hacerlo, en términos de vida útil de la pieza.
Puede mirar los tipos de NiCd. A menudo se especifican para funcionar bien a temperaturas algo más bajas (alrededor de -40 C, he visto). Probablemente tendrán menos del 50% de su capacidad nominal y solo se pueden descargar a quizás 0,2 C. Pero al menos algunos tienen una especificación. Y no se dañan si se congelan. Lo cual es bueno.
Una cita favorita que escuché en alguna parte: una batería es una función no lineal de todo . En otras palabras, todas las predicciones son sospechosas; la única forma de saberlo realmente es probarlo con su perfil de descarga exacto. Diría que 500 mA durante unos segundos, fuera de un AA, a esas temperaturas frías, es una posibilidad un poco remota, pero tal vez su ciclo de trabajo muy bajo podría salvarlo. Mi experiencia personal es que todas las pilas alcalinas de los grandes (Energizer, Duracell, Rayovac) tienen un rendimiento bastante similar; no hay verdaderos destacados.
Necesita probar estos y luego elegir. usando hielo seco en una caja. estado allí.. hecho esto
Puedo compartir mucha historia en Winnipeg con pilas, pero tal vez hayan mejorado un poco. Dudo si alguna mejor que mi gráfica en promedio y Panasonic es la mejor
es posible que pueda mitigar el aumento de la ESR en paralelo con una gran cantidad de capacitancia para manejar los pulsos de alto consumo, pero verifique también su especificación de temperatura si usa electrolíticos o supercapacitores para esto.
@Neil_UK Consideré la capacitancia. En realidad, es una solución bastante buena, porque podría cargar tranquilamente el condensador de una batería débil (como un óxido de plata) en mi semana de inactividad y luego suministrar toda la energía a la carga desde el condensador. El único problema es que un supercapacitor que proporciona 10s x 250mA x 3.3V de energía cuesta alrededor de $4-$5 en digikey. Este precio es bastante indeseable, preferiría que el sistema de batería costara más de $ 1. Pero si perfilo y descubro que mi energía es más pequeña de lo que estoy asumiendo (lo que creo que es probable), entonces podría optar por esta solución.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Ese es un buen punto sobre las pruebas en frío. Tengo un spray viejo que se supone que enfría la electrónica hasta -50, pero puede que no sea apropiado para enfriar algo tan grande como una batería, probablemente sea solo para componentes SMT delgados.
mi método es barato y excelente. solía costar $1/lb por hielo seco en papel de cualquier empresa láctea. Luego, una caja de picnic y un pequeño ventilador para muffins con un termopar adentro. -40 aire con unos ladrillos y -55 contacto. no necesitaba un Tenny Oven por 20 mil dólares

Respuestas (2)

Cada fabricante de una categoría de química de baterías intentará evaluar el comportamiento de la temperatura de sus tecnologías comerciales, porque hacerlo puede brindarles un nuevo mercado que vale la pena seguir. (O hágales saber qué mercados NO buscar). Algunos tipos de baterías ni siquiera funcionan hasta que baja la temperatura. 60 ∘ C . Si bien eso puede parecer malo, también es bueno, ya que en algunas áreas cálidas del mundo esto significa que la batería se conserva bien hasta que la temperatura sube un poco. (Tienen una buena "vida útil" en climas cálidos).

Probablemente la tecnología de batería mejor investigada y más recomendada para bajas temperaturas en el − 30 ∘ C El área es la química de NiCd. Estos tipos han sido bien caracterizados hasta la operación en − 40 ∘ C y la documentación sobre su uso en temperaturas frías se remonta a muchas décadas. Entonces, mucha experiencia usándolos en situaciones frías para informar su decisión.

Dado que su electrolito no se diluye durante la descarga, la temperatura de congelación se mantiene alrededor de − 83 ∘ C independientemente del estado de descarga. Y las baterías de NiCd todavía pueden proporcionar entre un cuarto y un tercio de su capacidad nominal (he visto gráficos que muestran hasta un 40 %) cuando funcionan a − 40 ∘ C . Sorprendentemente, también pueden aceptar una carga a estas bajas temperaturas y no se dañan por una carga excesiva (o por una carga insuficiente). (Sin embargo, la carga excesiva aún puede generar cierta pérdida de gas y agua). dañados, si se congelan (vaya a continuación − 83 ∘ C .)

Por supuesto, están en una categoría diferente a la alcalina. (Primario frente a secundario). Por lo tanto, es posible que aún no sea aplicable en su caso. Pero dado que menciona solo pulsos de corriente ocasionales (que NiCd puede manejar bien) y menciona un período razonable de operación, creo que aún puede encontrar que alguna versión fácilmente disponible de NiCd satisfará sus necesidades. Empezaría por ahí. Mira a dónde te lleva.

Hay una publicación llamada "Resumen técnico de regiones frías" donde cubren algunos de estos detalles. También he usado otras fuentes para escribir el texto anterior.

Creo que NiCd podría ser el camino a seguir. Me opuse debido a la alta tasa de autodescarga (20%) por mes. (también en contra porque es más tóxico que alcalino) Pero si solo estoy restringiendo las baterías de invierno para que duren al menos un mes, entonces esto no rompe mis restricciones. En los meses más cálidos, podría cambiar a alcalina en el mismo factor de forma (como AA o AAA) y, en teoría, durar todo el año con 1-3 cambios de batería.

Necesita baterías $ especiales y capacidad reducida. ¡Mucho!

Usamos Óxido de Plata [paquetes en los 70's a -50'C

Los tipos de óxido de plata son su mejor apuesta. En realidad, están hechos en MUCHOS tamaños, pero $$.

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Este es rentable.

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https://data.energizer.com/PDFs/silveroxide_appman.pdf

  If you can insulate and keep near earth in a protected structure and increase some capacity.

  There's no free lunch at -30'C.  Just bring hot choco., with heavy down-filled jacket, hat and feather/down or sheepskin filled mitts.  With no wind, it's really quite pleasant in the sun.

  • Pero *necesitará** más capacidad de la que planeó en su presupuesto de energía. Considere x32 mínimo.

  • De lo contrario, su unidad puede estar fuera de línea durante algunas semanas o más en febrero, cuando hace -30'C. Es decir, a menos que use una antena de súper alta ganancia (6~10dB) y reduzca la potencia Tx.

Esa sería mi sugerencia. Confía en mí en esto. Tengo 40 años de experiencia con batería débil -30'C a -40'C y aprendí a sobrellevarlo.

Advertencia:

Por debajo de 0'C, todos estos tipos de baterías PERDERÁN aumento de capacidad y aumento de ESR (resistencia en serie efectiva) para pulsos de arranque en frío --- al igual que CCA en plomo-ácido donde califican las baterías de automóviles para CCA al reducir Vbat a 7.5V entonces ESR = (12.5-7.5)CCA. Así es como lo hacen. Luego, el voltaje cargado cae de la carga, relación R.

(R/(ESR+R)*Vbat=Vbat' (pulso de carga)

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Esta batería cumple con mi restricción de temperatura, lo cual es excelente, pero sería muy difícil obtener 500 mA de ellos. Parece que una batería de óxido de plata no está diseñada para suministrar mucho más de 0,2 mA de algunas fuentes que busqué. Tendría que usar un supercondensador en paralelo para los pulsos. Pero como dije en mi respuesta a @Neil_UK arriba, esta no es una mala solución. Probablemente sea más caro, y el costo es un criterio importante en este proyecto.
Bill, también fabrican celdas AA como tamaños, no solo botones. Difícil de encontrar, más $$ pero funciona. usamos cajas de tamaño de mano de baterías SiO2 en los años 70. Pero la capacidad vs $ vs -T son grandes compensaciones, aquí pasadas por alto por op
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