Baterías

La previsión de la vida de la batería: un aspecto fundamental para el éxito de un producto integrado

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El número de dispositivos con batería no para de aumentar; la alimentación de un sistema integrado desde una batería tradicional o recargable aporta flexibilidad al diseño, es más práctica y contribuye a la portabilidad. Cada vez se desarrollan más iniciativas para el Internet de las cosas (IdC) y el Internet industrial de las cosas (IIdC), así como para combinarlas con las tendencias relacionadas con el aprendizaje automático en el borde; por eso, cada vez exigimos más funciones de los dispositivos con batería.

Sin embargo, la pregunta siempre es la misma: ¿cuánto durará la batería? Para el consumidor, cambiar baterías es algo molesto y, para el IIdC a gran escala, es un proceso caro. Por lo tanto, es imprescindible prolongar la vida de la batería generando perfiles dinámicos de consumo energético y usando estos datos para seleccionar métodos químicos adecuados y pronosticar su duración.
En este artículo, analizaremos las técnicas y las herramientas de las que disponemos para pronosticar de forma precisa la vida de la batería en un diseño integrado.

La vida de la batería
La duración de las baterías se ha convertido en un elemento esencial de nuestra rutina. A nadie le gusta tener que preocuparse de ir cargando dispositivos todo el día, ya se trate de un vehículo o patinete eléctrico o para asegurarnos de que un reloj inteligente o seguidor de actividad vaya a aguantar una clase en el gimnasio. Lo mismo ocurre con los dispositivos de batería usados en el ámbito comercial o industrial, como los sensores del IdC. Es muy irritante que el seguidor de actividad se quede sin batería en medio de una clase pero, en el caso de un sensor industrial, las consecuencias pueden ser el paro de la producción y un coste económico considerable. Se puede decir que la vida de la batería tiene un impacto directo en el éxito de un producto y en la reputación de la marca.
Cada vez resulta más evidente que la clave reside en diseñar sistemas integrados con un objetivo fundamental: reducir el consumo. Es imprescindible tener los conocimientos necesarios para implementar técnicas de hardware y software que reduzcan el consumo energético. Por otro lado, el incremento de la vida de la batería también es importante desde el punto de vista de la sostenibilidad, ya que muchas empresas son conscientes del efecto que tiene en el perfil de sostenibilidad ambiental corporativo. Un informe reciente de la UE decía que, en 2025, se desecharán hasta 78 millones de baterías al día en todo el mundo, un claro ejemplo del reto al que nos enfrentamos.

Objetivo: reducir el consumo
A fin de priorizar el objetivo de reducir el consumo, los diseñadores de sistemas integrados deben pensar en sus aplicaciones de un modo global. Es muy posible que no haya soluciones rápidas y sencillas para reducir el consumo y prolongar la vida de la batería; normalmente, esto se logra con distintos pasos iterativos y cada uno de estos pasos supone una pequeña mejora. A continuación, hablamos de algunas ideas clave que los desarrolladores de sistemas integrados deberán analizar.
• La identificación del consumo energético. ¿Qué funciones del circuito consumen energía y cómo se sincronizan con el resto de piezas? Estas son las primeras preguntas que debemos hacernos, ya que son fundamentales si queremos priorizar el objetivo de reducir el consumo. El microcontrolador principal tendrá un impacto considerable en el perfil de consumo del dispositivo y suele encargarse de administrar la alimentación de los periféricos; por lo tanto, cabe preguntarse cuáles son los modos en espera del microcontrolador y cómo pueden usarse. No debemos olvidar que hay un equilibrio muy delicado entre los modos de espera reforzada («deep sleep») y la capacidad de respuesta de la aplicación. En el sector del consumo, se sale del modo «deep sleep» cuando, por ejemplo, el usuario toca la pantalla de un seguidor de actividad y este tarda unos instantes en mostrar el menú de opciones o el estado de la actividad en curso.
• La administración del ciclo de vida de la aplicación. ¿Cuál es la frecuencia con la que la aplicación debe tomar una lectura o desencadenar una acción? En un termostato inteligente, es posible que baste con medir la temperatura cada treinta segundos. Otros sensores más complejos pueden precisar un modo de funcionamiento más rápido. La frecuencia de activación del dispositivo afecta en gran medida al perfil de consumo energético, ya que en estas situaciones los niveles de corriente son mucho mayores. Otra manera de reducir el consumo es desactivar sensores y funciones de los periféricos mientras el microcontrolador procesa datos.
• Programación de tareas para evitar picos de corriente. Con la información recopilada en los dos puntos anteriores, es posible que podamos cambiar la programación de las tareas de software y hardware a fin de evitar picos de corriente. Estos picos tienen un efecto negativo no solo en el consumo promedio, sino también en el rendimiento de la batería: las corrientes altas pueden acelerar la reducción del estado de carga de la batería, lo que disminuirá su vida útil.
• Selección de una fuente de energía. La sustitución de una batería no recargable tiene un coste importante, lo que limita su utilidad en muchas aplicaciones. En la mayor parte de los casos, se utilizan baterías recargables que se recargan en el propio emplazamiento. Para este proceso, cada vez son más populares las técnicas de recolección de energía procedente de fuentes como la energía solar, la energía eólica, la vibración o la RF. Además, en algunos casos en los que el perfil de corriente promedio es relativamente bajo, cambiar la batería por un supercondensador o ultracondensador es un método viable.
• La elección de la batería adecuada. Además de tener en cuenta los elementos de desarrollo integrado ya mencionados, también es importante analizar las características de la propia batería, ya que hay muchos tipos distintos y los procesos químicos implicados pueden variar. Hay que consultar los parámetros más importantes en la hoja de características, ya que es importante ver si el perfil de descarga ideal de la batería es el más adecuado para el ciclo de trabajo de la aplicación y para sus atributos de consumo. Sin embargo, encontrar la batería ideal para una aplicación en concreto no es fácil: los sistemas integrados tienen un perfil de consumo más bien dinámico, en lugar de una curva de descarga estática; por lo tanto, lo más probable es que necesitemos recabar más información.
• La medición del consumo de corriente. Se podría decir que el factor más importante a la hora de elaborar un perfil de consumo energético en un sistema integrado es la medición de la corriente. Los multímetros digitales son equipos prácticos para hacer pruebas y mediciones, pero normalmente se necesita una respuesta más dinámica, así como un mejor rango de medición y una mayor precisión de resolución. Por ejemplo, la intensidad de la corriente de un sensor IdC inalámbrico y con batería puede pasar de un microamperio en el modo en espera a muchos miliamperios cuando está en funcionamiento, es decir, un rango dinámico de 50:1. Esta característica tan dinámica exige el uso de equipos de medición especializados, como la gama Qoitech Otii, de la que hablaremos a continuación.

Cómo generar perfiles de corriente en sistemas integrados
Las gamas Qoitech Otii Arc Pro y Otii Ace Pro de unidades para la elaboración de perfiles energéticos se han diseñado especialmente para medir el consumo de energía en sistemas integrados con batería y utilizan el software Otii Pro para el análisis energético. El Qoitech Otii Arc Pro (imagen 1) contiene un generador de perfiles energéticos, una unidad de medición de alimentación, un analizador de alimentación CC y una fuente de alimentación. El equipo completo de hardware y software puede medir, analizar y registrar niveles de corriente en tiempo real con una precisión de 5 nA a una frecuencia de muestreo de 4 ksps.

Imagen 1: el Qoitech Otii Arc Pro, una unidad pequeña y portátil (fuente: Qoitech)


La fuente de alimentación del Otii Arc Pro genera entre 0,5 y 5 VCC, con un máximo de 5 A, y el proceso de medición no aporta una tensión adicional en la carga. El dispositivo se integra en el sistema que se está midiendo con la interfaz UART de Otii o con pines GPIO. Los mensajes de depuración del desarrollador que se envían desde el dispositivo bajo ensayo se sincronizan con las mediciones de corriente en tiempo real y se muestran en la pantalla de depuración (imagen 2). Gracias a este método, los ingenieros pueden mostrar con exactitud el análisis del consumo en los puntos de interrupción y vigilancia.

Imagen 2: en el software Otii Pro, los mensajes de depuración UART desde el dispositivo bajo ensayo aparecen junto a las mediciones de corriente en tiempo real (fuente: Qoitech)


El Qoitech Otii Ace Pro ofrece características similares a las del Arc Pro, pero la tensión de salida llega hasta 25 VCC en pasos de 1 mV; además, el rango de medición de corriente va desde la escala de nanoamperios hasta 5 A. La resolución de la medición es inferior a 0,4 nA y la frecuencia de muestreo se puede configurar en hasta 50 ksps.

Caracterización y estimación de la batería
Hemos hablado ya de la importancia de comprender cuáles son las características de descarga de la batería y hemos visto que no es tarea fácil en un sistema integrado dinámico. Un complemento adicional para el software Qoitech Otii es el Otii Battery Toolbox.
Los sistemas integrados son cada vez más complejos y las exigencias comerciales y medioambientales relacionadas con la extensión de la vida de la batería siguen aumentando; por lo tanto, es necesario adoptar una metodología más científica a la hora de seleccionar una batería. En lugar de limitarse a empezar por una determinada capacidad de batería para dividirla por el consumo promedio a fin de estimar la vida útil, existen herramientas, como el Otii Battery Toolbox, que nos ofrecen una estrategia más objetiva. El Toolbox ofrece tres funcionalidades que permiten analizar la vida de la batería en función del perfil de descarga. El software Otii estándar ofrece, por su parte, una herramienta básica de estimación de batería, pero el Toolbox añade más funciones.
A medida que la batería se va descargando, la tensión de salida se reduce. En qué medida se reduce exactamente depende de los procesos químicos y debemos consultarlo en la hoja de características del fabricante. El sistema integrado seguirá operativo hasta llegar a un punto en el que las caídas de tensión afecten a su funcionamiento.
El primer paso para determinar la vida de la batería con el Otii Battery Toolbox consiste en analizar el rendimiento del dispositivo en distintos rangos de tensiones de batería, desde la tensión más alta hasta la tensión más baja a la que el dispositivo puede funcionar sin errores. Cuanto más precisas sean las mediciones, mayor será también la precisión de los resultados. El software del Toolbox puede reducir la salida del Otii en, por ejemplo, pasos de 100 mV entre los dos límites de la batería. La primera elección de batería determinará el rango de tensiones seleccionado, pero puede cambiar tras obtener los resultados. Por ejemplo, una batería de polímero de litio tiene una tensión de salida de 4,2 VCC cuando está cargada por completo y puede llegar hasta 3,0 VCC; no debería usarse más allá de este límite.
La imagen 3 muestra el perfil Otii Battery Toolbox de un dispositivo que funciona con distintas tensiones de alimentación, desde 3,7 a 4,5 VCC, en pasos de 200/300 mV. La esquina superior derecha de la imagen muestra el consumo mínimo, máximo y promedio de corriente para cada rango de tensión.
Las opciones para elaborar el perfil de la batería están en la parte inferior central de la pantalla, donde es posible introducir los dos valores de corriente de descarga y duración: alto para el modo activo y bajo para el modo inactivo. También se puede configurar la tensión de parada o el número de iteraciones. Además, podemos introducir los datos de la primera batería que se va a probar.

Imagen 3: Primeros pasos en el elaborador de perfiles de batería del Otii Battery Toolbox; se puede observar la característica dinámica de la corriente consumida por el dispositivo bajo ensayo en cuatro tensiones de alimentación distintas (fuente: Qoitech)

En la siguiente fase de la elaboración del perfil, se extrae el dispositivo bajo ensayo de la unidad Otii y se conecta la primera batería escogida. El software cambia entre el valor alto y bajo durante la prueba hasta que la tensión de la batería llegue al nivel de la tensión de parada o hasta llegar al límite de repeticiones. El perfil de la batería queda guardado para que el Otii pueda emularlo. De este modo, la salida del Otii simula la resistencia interna y la tensión de salida de la batería cuyo perfil hemos generado, a fin de facilitar la realización de más pruebas. Con este método, la elección de una batería pasa a ser un proceso específico y no una serie de suposiciones y conjeturas, lo que aporta una idea mucho más realista y representativa de cómo va a funcionar en realidad. Si desea ver un tutorial detallado sobre el proceso de elaboración de perfiles de batería, vaya a https://www.youtube.com/watch?v=qF_Ylxxo0Wk.

La elaboración de perfiles de batería en el mundo real
Los dispositivos con batería son cada vez más omnipresentes, así que prolongar la vida de la batería es crucial en cualquier sistema integrado. En este breve artículo, hemos visto por qué necesitamos priorizar el objetivo de reducción del consumo, cuáles son los desafíos a la hora de escoger una batería usando la hoja de características y cómo podemos resolverlos con el Qoitech Otii Battery Toolbox.

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics




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