Baterías para dispositivos móviles y dispositivos portátiles . Evaluación del estado.
VASILIEV Vladimir Yuryevich
No es ningún secreto que el funcionamiento sin problemas de dispositivos móviles o dispositivos con energía de respaldo (o ininterrumpible) depende directamente de el estado de sus baterías. En este sentido, es de particular importancia la determinación correcta y oportuna de las características reales de las baterías durante el funcionamiento.
El artículo analiza los principales parámetros de la batería, mediante los cuales se puede determinar su estado. evaluados, así como los métodos e instrumentos que permiten realizar dicha evaluación.
Para la redacción de este artículo se utilizaron materiales amablemente proporcionados por el Sr. Isidor Buchmann, fundador y director de la Empresa canadiense Cadex Electronics Inc.
Puede leer un artículo detallado sobre baterías en la siguiente página:Baterías. Historia, tecnología, realidad.
Una batería, como dispositivo eléctrico, se caracteriza por los siguientes parámetros básicos: tipo de sistema electroquímico, voltaje, capacidad eléctrica, resistencia interna , corriente de autodescarga y vida útil.
Además, dependiendo del ámbito de aplicación, algunos parámetros pasan a primer plano y luego otros.
Por ejemplo, la batería de un teléfono móvil debe evaluarse en función de la totalidad de sus tres características principales: capacidad real, resistencia interna y corriente de autodescarga, mientras que la batería de un radioteléfono doméstico debe evaluarse únicamente por su capacidad. y autodescarga.
Si subestimas o ignoras algún parámetro o exageras la importancia de uno de ellos (generalmente la capacidad), puedes encontrarte en una situación de «canal roto».
Veamos brevemente los principales parámetros de la batería.
Sistema electroquímico.
Los siguientes tipos de baterías son actualmente las más utilizadas para alimentar dispositivos y equipos móviles: plomo-ácido (SLA), níquel-cadmio (NiCd), níquel-metal hidruro (NiMH) y de iones de litio (Li-ion).
Las baterías de polímero de litio (Li-Pol) están comenzando a aparecer.
Cada uno de ellos tiene ciertas ventajas y desventajas.
Las características comparativas de las baterías según el tipo de sistema electroquímico se dan en [1].
El voltaje de la batería lo determina el dispositivo que está destinado a alimentar.
Si un elemento no proporciona el valor de voltaje requerido, entonces la batería se ensambla a partir de varios elementos conectados en serie.
El voltaje nominal de un solo elemento de las baterías NiCd o NiMH es 1,2 V, SLA — 2 V, Li-ion – 3,6 V.
Capacitancia eléctrica.
La capacidad eléctrica nominal es la cantidad de energía que teóricamente debería tener la batería cuando está cargada.
La cantidad de energía se determina descargando la batería con corriente continua durante un período de tiempo medido hasta que se alcanza un voltaje umbral específico.
La capacidad se mide en amperios-hora (Ah). o miliamperios-hora (mAh).
Su valor está indicado en la etiqueta de la batería o encriptado en la designación de su tipo.
El valor real de la capacidad de la nueva batería en el momento de su puesta en funcionamiento oscila entre el 80 y el 110% del valor nominal y depende del fabricante, las condiciones y el período de almacenamiento y la tecnología de puesta en servicio.
Teóricamente, una batería con, por ejemplo, una capacidad nominal de 1000 mAh puede suministrar una corriente de 2000 mA durante 30 minutos, 1000 mA durante una hora, 100 mA durante 10 horas o 10 mA durante 100 horas.
En la práctica, con valores altos de corriente de descarga nunca se alcanza la capacidad nominal, y con corrientes bajas se excede.
Durante el funcionamiento, la capacidad de la batería disminuye.
La tasa de reducción depende del tipo de sistema electroquímico, la tecnología de mantenimiento durante la operación, los cargadores utilizados, las condiciones de operación y la vida útil.
Resistencia interna.
La resistencia interna de la batería (resistencia de la fuente de corriente) determina su capacidad para entregar alta corriente a la carga.
Con un valor bajo de resistencia interna, la batería es capaz de entregar una corriente máxima más alta a la carga (sin reducir significativamente el voltaje en sus terminales) y, por lo tanto, una mayor potencia máxima.
La relación entre los valores de corriente y voltaje de carga en los terminales de la batería y su resistencia interna está determinada por la ley de Ohm.
Un valor de resistencia alto conduce a una fuerte disminución en el voltaje de la batería. con un fuerte aumento en la corriente de carga.
Tal colapso (disminución) del voltaje caracteriza la “debilidad” de una batería externamente buena, porque la energía almacenada no puede suministrarse completamente a la carga.
La resistencia interna de la batería depende depende del tipo de su sistema electroquímico, capacidad, número de celdas de la batería conectadas en serie y aumenta hacia el final de su vida útil.
Autodescarga.
El fenómeno de la autodescarga es típico en mayor o menor medida de todo tipo de baterías y consiste en la pérdida de su capacidad una vez que se han cargado por completo.
Cuantificar la autodescarga descarga, es conveniente utilizar la cantidad que perdieron durante un determinado tiempo de capacidad, expresado como porcentaje del valor obtenido inmediatamente después de la carga.
Un período de tiempo, como regla general, se toma como un intervalo de tiempo igual a un día y un mes.
Así, por ejemplo, para las baterías de NiCd en buen estado, se considera aceptable una autodescarga de hasta el 10% durante las primeras 24 horas después del final de la carga, para las de NiMH, un poco más, y para las de iones de litio es insignificante y estimada. por mes.
Cabe señalar que la autodescarga de las baterías es máxima en las primeras 24 horas después de la carga, y luego disminuye significativamente.
La autodescarga de las baterías depende de la calidad de los materiales utilizados, el proceso de fabricación, el tipo y el diseño de la batería.
Aumenta drásticamente con el aumento de la temperatura ambiente, daños al separador interno de la batería debido a un mantenimiento inadecuado y al proceso de envejecimiento.
Duración de la batería (vida útil) de la batería.
Se suele valorar por el número de ciclos de carga/descarga que la batería puede soportar durante su funcionamiento sin un deterioro significativo en sus parámetros básicos: capacidad, autodescarga y datos internos. resistencia.
La vida útil depende de muchos factores: métodos de carga, profundidad de descarga, procedimientos de mantenimiento o falta de ellos, temperatura y naturaleza electroquímica de la batería.
Además, está determinada por el tiempo transcurrido desde la fecha de fabricación, especialmente en el caso de las baterías de iones de litio.
Una batería, por regla general, se considera defectuosa después de que su capacidad se ha reducido al 60 — 80 % del valor nominal.
Evaluación del estado de las baterías
Imagine varias situaciones diferentes.
Situación 1.
La organización opera una gran flota de diversos dispositivos de comunicación móviles, gracias a cuyo funcionamiento confiable no solo sus actividades exitosas, sino a veces la vida. de personas dependen. Las fallas de comunicación en este tipo de organizaciones son fallas catastróficas.
Para evitarlos, es necesario monitorear periódicamente el estado de todas las baterías usadas para retirar oportunamente del servicio las baterías que parecen útiles, pero que en realidad no brindan la confiabilidad requerida, y reemplazarlas por otras nuevas.
Situación 2.
Es necesario evaluar los parámetros de las baterías de diferentes fabricantes y elegir la mejor. O realice una inspección entrante del lote de baterías adquirido para comprobar el cumplimiento de las condiciones de entrega.
Situación 3.
Desarrollo y producción de nuevos tipos de baterías.
¿Qué es común en las tres situaciones anteriores?
Por supuesto, esta es la necesidad de una evaluación confiable y oportuna del estado de las baterías por comprobando los valores de sus principales parámetros.
¿Cómo se pueden analizar los parámetros de la batería?
¿Con qué instrumentos? ¿Qué debería poder hacer un dispositivo de este tipo y qué características debería tener?
Para organizar con éxito un sistema de mantenimiento de la batería, es necesario garantizar:
- evaluación rápida del estado de la batería;
- carga rápida de la batería sin destruirla;
- visualización de información sobre el estado de carga, capacidad y resistencia interna de la batería;
- señalización simplificada de los resultados de las pruebas de la batería para un usuario no capacitado;
- mantenimiento simultáneo de varios baterías de diferentes tipos;
- cambiar al modo de recuperación automática de baterías de ciertos sistemas electroquímicos, si la capacidad medida es menor que la especificada por el usuario;
- determinación de elementos en cortocircuito en baterías;
- determinación de la calidad «suave» celdas de la batería (aumento acelerado del voltaje durante la carga);
- mantenimiento de las baterías en varios modos a elección del usuario;
- interfaz estándar con una computadora y una impresora;
- modo de carga de batería del asistente;
- protección contra el acceso no autorizado.
Obviamente, estos problemas no se pueden resolver utilizando cargadores y dispositivos de descarga convencionales y se requiere el uso de dispositivos especiales.
Son posibles dos enfoques: el primero es el desarrollo y producción de dispositivos especializados, diseñados, por regla general, para requisitos específicos, y el segundo es el uso de dispositivos analizadores de baterías universales.
Naturalmente, el ámbito de aplicación de estos últimos es mucho más amplio, por lo que nos centraremos en ellos.
La Tabla 1 muestra las características comparativas de los tipos más comunes de analizadores.
Aquí una foto..
Tabla 1. Características comparativas de algunos analizadores comunes.
Echemos un vistazo más de cerca a algunas de las principales características y funcionalidades de los analizadores anteriores y evaluemos el grado de su importancia y necesidad para el consumidor.
El número de baterías que reciben servicio simultáneamente.
Este parámetro afecta directamente la velocidad del servicio de la batería si es necesario evaluar el estado de una Lote grande de baterías del mismo tipo o de diferentes tipos.
Tiempo de servicio promedio.
El tiempo de mantenimiento de la batería depende de muchos factores: el tipo y los parámetros del programa de mantenimiento, la capacidad de la batería y su estado.
La tabla muestra los valores promedio.
Los valores reales pueden diferir de los indicados por dos tiempos, tanto hacia arriba como hacia abajo.
Tipos de baterías revisadas.
El analizador debe admitir todos los tipos de baterías más comunes actualmente según el sistema electroquímico y también debe poder actualizarse para admitir los tipos de baterías más recientes.
Por ejemplo, en el Por el momento, un nuevo tipo son las baterías de polímero de litio que ya se incluyen en teléfonos móviles y ordenadores portátiles.
Indicación de la capacidad de la batería.
Hay dos opciones para mostrar la capacidad final (real) de la batería: en miliamperios (amperios) y como porcentaje del valor nominal.
Además, la segunda opción es más informativa, ya que en muchos tipos de baterías el valor de capacidad está cifrado en su designación e indicar la capacidad real de la batería en mAh no le dice nada al usuario sobre su estado si no conoce su valor nominal.
Adaptador de batería.
El adaptador más conveniente es aquel con el que se puede conectar al analizador cualquier batería con elementos de conexión estructurales idénticos, independientemente de su sistema electroquímico y capacidad.
La conexión con cables es muy inconveniente, ya que para muchos tipos de baterías, los contactos están empotrados en la caja o “al ras” de ella.
Los cables también introducen errores adicionales al medir la resistencia interna de la batería.
Programación de usuario.
Este parámetro puede tener dos interpretaciones.
El primero, amplio, configura los parámetros y el programa de mantenimiento de la batería.
Por ejemplo, configura el tipo de sistema electroquímico, capacidad nominal, corrientes de carga, descarga de la batería y su programa de mantenimiento: carga , descarga, preparación para la operación , restauración.
La segunda interpretación es literal: programación (creación) de un programa de mantenimiento de batería no estándar.
Gestión de servicios.
El uso de una computadora conectada al analizador proporciona:
- almacenar una base de datos de diferentes tipos de baterías de diferentes fabricantes;
- almacenar informes y mantener una base de datos de servicios baterías ;
- construir gráficos de cambios en los parámetros actuales de la batería durante el mantenimiento en tiempo real;
- configurar automáticamente los parámetros de los programas de mantenimiento designando el tipo de batería de la base de datos;
- mediante un escáner de código de barras para introducir el tipo de batería (las baterías originales de fabricantes conocidos están equipadas con una etiqueta con un código de barras impreso que codifica información completa sobre la batería);
- creación propia sencilla programas de mantenimiento basados en las necesidades y la experiencia individuales.
Guardar datos durante un corte de energía.
La función es ciertamente necesaria y conveniente, ya que permite realizar pruebas continuas de las baterías durante muchas horas durante una pérdida breve de voltaje de suministro.
Mensajes de error.
La información sobre errores (causas de mal funcionamiento) de la batería que se está probando, además de mostrar su capacidad real, le permite obtener una imagen más completa del estado de la batería y predecir su futuro. comportamiento durante el funcionamiento posterior, si es posible.
Pantalla.
La información mínima requerida que se muestra simultáneamente en la pantalla debe incluir:
- tipo de sistema electroquímico de la batería a la que se le da servicio;
- voltaje actual en la batería;
- valor actual actual;
- valor actual de la resistencia interna;
- tiempo transcurrido desde el inicio del mantenimiento de la batería;
- modo de funcionamiento actual.
Programas de servicio.
La presencia de programas de servicio listos para realizar operaciones estándar en el mantenimiento de baterías y tener en cuenta las características de sus tipos específicos facilita y acelera enormemente el proceso de mantenimiento.
Un programa de servicio listo para usar programa de servicio en este caso significa un programa que ya contiene todos los parámetros principales y la secuencia de acciones al realizar el mantenimiento de la batería.
El usuario sólo debe seleccionar el tipo de sistema electroquímico, la capacidad nominal de la batería y ejecutar el programa para su ejecución.
Método de carga.
Como regla general, cada fabricante de analizadores señala que su método es el mejor.
Existen muchos métodos diferentes para cargar baterías de NiCd o NiMH, que se pueden dividir en tres grupos principales: carga estándar: carga con una corriente constante igual a 1/10 de la capacidad nominal de la batería durante aproximadamente 15 horas; carga rápida: carga con una corriente continua igual a 1/3 de la capacidad nominal de la batería durante aproximadamente 5 horas y carga acelerada o delta V con una corriente de carga inicial igual a la capacidad nominal de la batería, a la cual el voltaje en la batería se mide constantemente y la carga finaliza una vez que la batería está completamente cargada.
El tiempo de carga es de aproximadamente 1 hora. Y luego cada fabricante comienza a modificar estos métodos.
En particular, los analizadores Cadex 7000 y CASP/2000L(H) utilizan pulsos de descarga cortos entre pulsos de carga largos.
Se cree que este método de carga restaura la estructura cristalina de los ánodos de cadmio, eliminando así el & #171;efecto memoria».
Valor de control de capacidad.
Este valor se refiere al valor de capacidad en el que la batería se considera adecuada para su uso posterior.
Por defecto, es igual al 80% del valor nominal de la capacidad de la batería y puede ser modificado por el usuario.
Este valor se suele utilizar como valor de control en dos operaciones: durante la inspección entrante de baterías nuevas y durante la evaluación, la necesidad de cambiar al ciclo de recuperación al verificar baterías NiCd y NiMH.
La capacidad de establecer este valor por parte del usuario es de fundamental importancia para automatizar el proceso de mantenimiento de la batería.
¿En qué dirección se desarrollarán los analizadores de baterías en un futuro próximo?
Este verano, Cadex anunció un modelo nuevo y más económico del analizador de baterías Cadex C7200 para el análisis simultáneo independiente de dos baterías.
El nuevo analizador destaca por el hecho de que implementa un modo de evaluación integral del estado de la batería en tan solo cinco minutos.
Esta característica es proporcionada por nuevo programa Quick Test incluido en el analizador, que permite determinar con precisión la capacidad de la batería en 5 minutos.
Junto con el programa OhmTest, que mide la resistencia interna de la batería en 5 segundos, esto convierte al C7200 en una herramienta de inspección de entrada ideal para probar grandes lotes de baterías
Literatura.
1. Vasiliev B.Yu., Petrov N.N. Baterías. Historia, tecnología, realidad//Equipo especial nº 6, 2000