Perché le batterie nell'elettronica di consumo vengono utilizzate in modo non uniforme?

Quando cambio le batterie di giocattoli per bambini, telecomandi, ecc., Collaudo le batterie e ho notato che si scaricano in modo diverso. Uno sarà morto e l'altro è ancora nel verde.

Perché succede? Inoltre, a questo estremo, perché non avere una sola batteria?

Sono in genere AA e possono essere quelli con il prodotto o ricaricabili.

Inoltre, perché il dispositivo si arresta e non inizia a utilizzare una buona batteria?

Ci sarà sempre qualche variazione nella capacità tra le batterie. Nell'uso dei giocattoli, la corrente viene generalmente assorbita ad alto livello rispetto a molte altre applicazioni, quindi la resistenza interna delle batterie è molto importante.

In quel servizio la tensione sotto carico diminuisce abbastanza rapidamente mentre si avvicina la fine della vita, quindi con piccole differenze di capacità le celle possono avere tensioni abbastanza diverse.

Tuttavia, quelli che sembrano essere buoni sono probabilmente anche molto vicini alla loro fine della vita, a meno che le cellule non siano state tutte sostituite contemporaneamente con cellule altrettanto fresche. La discrepanza quantitativa tra l'imballaggio e l'uso (celle confezionate in 4 e utilizzate ad esempio in 3) può contribuire a una discrepanza nella capacità.

Nei grafici sopra per una cella AA Panasonic è possibile notare che la tensione scende per un periodo di alcune ore da 1 V a 0,8 V. Una radio dura circa 130 ore e il declino è molto più delicato. Una volta che la tensione scende al di sotto della fine della vita di 800 mV, scenderà rapidamente a una tensione molto più bassa e potrebbe persino invertirsi (sotto carico o anche dopo che il carico è stato rimosso) a causa della grande corrente inversa fornita dalle altre celle nel giocattolo. tipo di servizio.

I tester per batterie funzionano generalmente applicando un carico alla batteria e misurando la tensione. Il carico applicato è necessariamente un compromesso tra i requisiti di diverse applicazioni.

Se il tester della batteria assorbe una corrente relativamente piccola, può ancora pensare che le celle che sono quasi scariche stiano bene (e stiano bene, in una radio!), Ma non può confondere le celle che sono state caricate al contrario. Questo è il motivo per cui alcuni tester per batterie hanno una scelta di correnti per i test: a una corrente più elevata le celle apparentemente "verdi" sarebbero probabilmente nella gamma dell'ambra.

In un tipico giocattolo le batterie sono semplicemente collegate in serie e il giocattolo richiede una certa tensione totale a una corrente relativamente alta per funzionare. La catena di batterie della serie è forte quanto il suo anello più debole, quindi se una batteria è molto scarica i motori ecc. Non avranno abbastanza tensione per funzionare.

I giocattoli sono spesso forniti con le celle della batteria più economiche che possono avere una capacità inferiore, ma hanno anche la più ampia tolleranza. Questa tolleranza e la "cellula più debole fallisce prima" è la regola generale.

Per capirlo, modella ogni batteria come un condensatore carico, diciamo 1000 farad +/- il 20%. Quindi metterli in serie con la stessa tensione iniziale e caricarli con, diciamo 100 ohm, e simulare o calcolare la fine della carica usando le tolleranze del caso peggiore, diciamo tre celle +20, 0 e -20%.

Allora capirai. Le batterie ai polimeri di litio e alle auto invece iniziano allo 0,1%, quindi invecchiano verso il 10% prima della morte di una singola cella con una tolleranza superiore al -90% della carica iniziale.

L'ESR aumenta e la C diminuisce rapidamente nei valori verso la fine della carica.

Se analizzi questo, allora capirai.

Ho estratto il valore C dal nulla per una semplice comprensione, ma dipende dalla valutazione in mAh dell'ora. I _c = C * dV / dt dove dV è in genere da 1,6 a 1 V = 0,6 V a seconda della chimica, ma il valore in mAh è I * dt = C * dV, quindi 50 mAh = 50 mA * 3,6 ks se valutato per un certo periodo come 1 C = 20 h, ma tutte le batterie hanno anche un valore ESR, dove si applica un'ampia tolleranza e ESR generalmente scende con RISING mAh che cambia sia con SoC basso che con lunga durata.

La regola empirica è che l'ESR a volte è correlato ad Ah, MA non è un modo.

Alla fine la RISPOSTA alla tua domanda è la cella della batteria con il valore C [F] più basso DECAYS FASTEST. Se in serie, se sostenuta diventerà carica inversa. prossima domanda per favore ...

OK, ecco un confronto tra le capacità della batteria AA.

Nota sopra lo "standard DURACELL" è 2000 mAh o 2Ah o 7200A-secondi

• EE saggezza comune:

  • $f_{-3dB}=\dfrac{0.35}{t_R}$
  • RC = T o L / R = T è definito come tempo asintotico,
    • per T = decadimento RC da 1 a 1 / e * 100% ~ 37% o da 0 a ~ 63%

• ma le informazioni sul marketing della batteria a volte utilizzano la capacità di Ah con SoC compreso tra il 100% e lo 0%, quindi ci sono alcune differenze negli standard dei tempi di misurazione.

Tuttavia in entrambi i casi l'energia immagazzinata è E = ½CV² ma nel caso di una batteria raccomando E = ½C (Vi²-Vf²) come Vbat dall'iniziale, Vi al 100% Soc al Vf finale ma piuttosto 10% SoC per evitare scariche profonde invecchiamento rapido.

Ogni tensione dipende molto dalla temperatura della cella; ma come ricordo;

se si carica leggermente per rimuovere la memoria a breve termine, la misura Vbat (100%)

• Lipo ΔV = 0,7 da 3,6 a 3,0 V
• Acido di piombo = da 12,5 a 11,5 V
• Alcalino = 1,5 V a 1 V.

Oltre alle note sulle tolleranze di fabbricazione della batteria, ho visto (almeno un) dispositivo che avrebbe suddiviso i collegamenti elettrici della batteria in diverse parti del circuito.

Nel mio caso, era una sveglia economica con 3 batterie AAA, 2 erano in serie per far funzionare l'elettronica, e poi un terzo era in serie con i primi due per far funzionare il LED / Allarme.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Non penso che questo sia comune, ma è un'altra possibile spiegazione.

ri: Perché le batterie nell'elettronica di consumo vengono utilizzate in modo non uniforme?

1. La scarsa qualità delle celle e / o celle provenivano da lotti diversi. Ciò può comportare diversi tempi di scarica / ricarica. I dispositivi (giocattoli) di solito richiedono un certo V&A minimo per funzionare correttamente. Una volta che le celle più deboli non riescono a fornire la loro parte dei V&A necessari per far funzionare il dispositivo, il dispositivo inizierà a non funzionare o si fermerà tutti insieme. In base all'intelligenza del caricatore e del tester, con l'avanzare dell'età delle cellule, tale differenza può essere amplificata al punto che quando si misurano le celle, si trova una cella che appare "verde" sul tester mentre l'altra cella sembra morta o quasi morta .

2. Gli utenti spesso mescolano e abbinano le celle nei loro caricabatterie e nei loro dispositivi - spesso mescolando celle ricaricabili più vecchie con celle più nuove - e talvolta mescolando persino celle ricaricabili con celle primarie (usa e getta). Con l'avanzare dell'età delle celle ricaricabili, tendono a perdere la capacità di carica e tendono ad avere diversi profili di scarica / carica (rispetto alle nuove celle). A seconda del caricabatterie utilizzato, ciò potrebbe significare che un utente utilizza più celle con diverse cariche nel proprio dispositivo, il che ovviamente porterà il dispositivo a funzionare solo fino a quando la cella più debole è in grado di fornire energia sufficiente (che di solito è un tempo molto più breve rispetto alle celle più recenti e con maggiore capacità fornirebbe energia a un dispositivo).

ri: ... perché non avere una sola batteria? "

Una batteria è una raccolta di celle. Naturalmente una cella più grande potrebbe essere prodotta per la tua specifica applicazione; tuttavia, quella cella sarebbe probabilmente meno utile per la costruzione di batterie per altre applicazioni rispetto agli attuali progetti di celle.

ri: "perché il dispositivo si arresta e non inizia a utilizzare una buona batteria?"

A volte (a seconda della connettività cellulare) l'energia proveniente da una buona cella può mantenere un dispositivo in funzione mentre l'altra / e cella / i più debole è fuori. Altre volte ciò non è possibile perché la capacità di uscita della potenza (VA) della batteria è diminuita al di sotto della soglia minima richiesta per il funzionamento del dispositivo.

È stato suggerito che una batteria non può essere modellata come un condensatore perché non è possibile risuonare con uno starter (noto anche come reattore).

Questo è falso e dimostra solo che il Q è troppo basso per risuonare e non è un requisito per essere un condensatore (con una tensione di giunzione offset chimica come un diodo che deve essere polarizzata correttamente)

Sappiamo per un circuito del serbatoio in serie, il rapporto tra reattanza e resistenza = Q deve essere> 1 per risuonare e >> 1 per lungo tempo, dove Q = 0,7 è definito come smorzamento critico.

Posso tranquillamente dire che le batterie sono condensatori ultra (poveri) a basso Q troppo smorzati.

prova

Utilizzo di un modello C singolo per una batteria (approssimazione del 1 ° ordine)

$\dfrac{1}{ESR*2\pi fC}~~~Q=\dfrac{0.16T_r}{T} \text{ for T=ESR*C} ~~$

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

• ma MAI cortocircuitare un LiPo non fuso, poiché l'aumento di calore lo farà esplodere.

Per Q >> 1 o 0.16Tr / 500> 1, quindi il periodo di ciclo Tr >> 3125 so >> 52 minuti

Quindi scegliere choke simile o migliore Q >> 1 L / R >> 52 minuti egeg >> 100H / 30mΩ

Ecco perché non è possibile realizzare un oscillatore LC da una batteria.

Alcuni trasformatori come di seguito hanno una Q vicino ma <1 con costanti di lunga durata.

A proposito, per divertimento ho applicato una cella LiPo 18650 attraverso gli avvolgimenti primari di un trasformatore come sopra in una fabbrica e, come previsto, V = LdI / dt era una rampa lenta SOVRAMPUMATA fino alla saturazione. Che carro armato!

La realtà è che le batterie sono enormi SuperCap con decine di migliaia di Farad ma costanti di tempo molto lunghi e quindi una Q bassa.

Ma per rispondere alla tua domanda.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Per rispondere alla tua ultima domanda:

Se un dispositivo funziona con 2 batterie AA, queste sono generalmente collegate in serie, il che significa che le tensioni si sommano per diventare la tensione operativa. In questo caso 2 * 1,5 V = 3 V. Il dispositivo può funzionare solo fino a una certa soglia, che differisce da dispositivo a dispositivo. Supponiamo che il dispositivo sia progettato per 3 V e possa funzionare con tensioni superiori a 2 V. In questo caso, una delle batterie può ancora essere quasi completamente carica (ad esempio 1,4 V), ma l'altra è completamente scarica a 0,2 V. Ciò equivale a una tensione in serie combinata di soli 1,6 V che non alimenterà più il dispositivo.

Ogni batteria ha un ciclo di carica o scarica diverso. Anche la batteria più economica e costosa ne ha alcune diverse indipendentemente dallo stesso lotto o lotto diverso dello stesso modello e prodotte dalla stessa azienda.

Potresti trovare questo fenomeno non solo nella batteria giocattolo più economica che normalmente viene fornita con coppie a coppia singola ma con varie fonti. La mia esperienza personale dimostra che l'uso della batteria di livello industriale sulla rete di telecomunicazione può anche variare in modo diverso all'interno della stessa batteria.

Come ho detto prima, anche con lo stesso modello e lo stesso modello di utilizzo, ogni batteria si comporta diversamente a livello atomico durante il ciclo di carica o scarica. Vi è anche un'influenza dell'ambiente circostante della batteria (la batteria centrale sul banco batterie ha un'esposizione a temperatura più elevata) crea parformanza irregolare e aspettativa di vita.

Quindi non è un caso casuale, ma la maggior parte delle volte mostrano diverse esibizioni anche recitando insieme ...