Влияние импульсной нагрузки на емкость и срок службы батарей

Плоские круглые батареи широко применяются для питания беспроводных приложений с малой потребляемой мощностью, например, в сетях ANT+ и Bluetooth low energy. При проектировании таких систем важно точно рассчитать срок службы батарей, который зависит от режимов работы приложения. Для беспроводных систем характерна токовая нагрузка на батарею в виде коротких импульсов с высокой амплитудой. Как нагрузка такого рода влияет на емкость используемой плоской батареи и срок ее службы?
Как и для всех типов батарей, доступная емкость литиевой плоской круглой батареи (измеряемой в мА·ч) зависит от скорости разряда. На рисунке 1 показан уровень напряжения на плоской батарее типа CR2032, разряжаемой непрерывным током величиной от 500 мкА до 3 мА. При разряде батареи со скоростью, близкой к установленной в технической документации (менее 500 мкА), можно заметить, что разряд идет в соответствии с хорошо известным законом, и полная емкость батареи в 230…240 мА·ч может быть достигнута до того момента, когда напряжение падает до слишком низкого уровня. Однако при увеличении скорости разряда эффективная емкость батареи падает.

Рис. 1. Характеристики разряда плоской круглой батареи типа CR2032

Достижимая емкость батареи, которую называют еще конечной рабочей точкой (КРТ), будет также зависеть от уровня напряжения. Это минимальный уровень напряжения, при котором может работать электронная схема, поэтому он является параметром, который устанавливается при выборе активных компонентов для данного приложения. Допустим, приложение имеет КРТ, равную 2 В. Как видно из рисунка 1, при токе 500 мкА батарея CR2032 может обеспечивать полную емкость в 240 мА·ч до того момента, как будет достигнута эта КРТ. Но если батарея разряжается током 2,5 мА, то КРТ достигается при емкости батареи в 175 мА·ч.
Как видно из рисунка 2, имеются два фактора, влияющие на такое поведение батареи, находящейся под импульсной нагрузкой большой амплитуды. Во-первых, собственное сопротивление (IR) батареи вызывает мгновенное падение напряжения на выводах батареи, пропорциональное величине тока. Во-вторых, напряжение батареи продолжает падать далее, правда с меньшей скоростью, из-за поляризацион­ного эффекта, вызванного электрохимическим процессом в батарее.

Рис. 2. Мгновенное изменение напряжения на батарее во время действия импульсной токовой нагрузки высокой амплитуды

При непрерывной нагрузке этот разряд продолжится до момента достижения КРТ, как показано на рисунке 1. Однако при снятии высокой токовой нагрузки напряжение на батарее вернется на уровень, который был до включения нагрузки. Из рисунка 2 можно также увидеть, что чем короче импульс тока нагрузки, тем меньше влияние электрохимического механизма разряда (т.е. если длительность импульса тока уменьшается до нескольких мс, то собственное сопротивление батареи будет главным фактором разряда батареи). Такое поведение сохраняется до тех пор, пока не будет утрачена основная часть химически активных элементов в батарее. В этот момент поляризация усиливается, что приводит к резкому росту скорости падения напряжения, как можно увидеть на рисунке 1.
Сохранение минимальной длительности импульсов тока нагрузки и поддержание минимально возможного тока разряда между ними представляет собой одно из ключевых условий работы устройств с высоким током потребления от компактной плоской круглой батареи.

Устройства, взаимодействующие в беспроводных сетях, таких как ANT+ и Bluetooth low energy, поддерживают синхронные каналы передачи данных. Это означает, что два сетевых устройства одного уровня с каждой стороны канала обмениваются пакетами данных через равные интервалы времени, называемые интервалами соединения. Величина интервалов соединения для ANT+ и Bluetooth low energy может быть установлена на уровне от 10 мс до нескольких секунд. Регулярный рабочий цикл работы радиосистемы обоих устройств определяет импульсный характер потребления тока от батареи.

В реальных условиях время активности в сетях ANT+ и Bluetooth low energy в период обмена данными намного меньше 1 мс. Часть времени в каждом событии тратится на переключение направления радиочастотного канала, а также — на обработку протокола. В это время потребление тока меньше, чем во время активной радиосвязи, но все же намного больше (1…8 мА), чем номинальный ток разряда батареи. Для дальнейшего рассмотрения будем считать, что длительность импульса равна 1 мс.

При установлении соединения между устройствами период импульсной нагрузки зависит от интервалов времени соединения. Для стандартов ANT+ и Bluetooth low energy интервалы соединения определяются спецификацией устройств. Для датчиков периоды установления соединения составляют обычно 100…1000 мс, а для пользовательских устройств — 10…50 мс.
Для установления канала связи в сети ANT+:
– периферийное устройство (обычно с питанием от батареи) начинает передавать сигналы с предварительно установленным интервалом;
– центральное устройство (устройство, которое собирает данные с датчиков) переходит в режим поиска. Оно прослушивает эфир в течение примерно 1 мс каждые 10 мс.
Для установления канала связи в сети Bluetooth low energy:
– периферийное устройство пересылает сигнал каждые 20—30 мс; если оно не находит другое устройство в течение 30 с, то переходит на пересылку сигнала каждые 1—2,5 с;
– центральное устройство осуществляет прослушивание сети с рабочим циклом 50—100% в течение 30 с. В стандарте не установлены параметры по длительности импульса и периоду следования импульсов. После 30 с устройство переключается на прослушивание каждые 1—2,5 с.
При изменении режимов работы устройств в беспроводных сетях радиоактивность также меняется. Например, работа беспроводного канала с интервалом соединения 500 мс обеспечивает намного более длительный период следования импульсов и меньший средний ток потребления, чем при пересылке сигнала каждые 20—30 мс.
Как влияет изменение режима работы этих устройств на срок службы батареи?

На рисунке 3 показаны характеристики разряда батареи типа CR2032 при 30-мА импульсной нагрузке при различных периодах следования импульсов. Из приведенных зависимостей видна разница в напряжении на батарее, когда батарея находится под воздействием импульсной нагрузки амплитудой 30 мА (V_load) и в отсутствии импульсов нагрузки (V_idle). Рисунок 3а показывает, что воздействие импульсной нагрузки (амплитудой 30 мА) каждые 10 мс сильно влияет на емкость батареи. Как видно из рисунка, при воздействии импульсной нагрузки напряжение 2 В на батарее будет достигнуто при емкости батареи 125 мА·ч, что фактически в два раза меньше номинальной емкости батареи, указанной в технической документации.

Рис. 3. Разряд батареи типа CR2032 в зависимости от рабочего цикла импульса нагрузки

Характер кривой нагрузки постоянного тока (см. рис. 3а) подобен кривой импульсной нагрузки. Кроме того видно, что высокий ток разряда серьезно ограничивает емкость батареи, независимо от того, приложена к ней постоянная или импульсная нагрузка. Стоит отметить, что кривая V_idle следует кривой постоянной нагрузки, что означает восстановление батареи между импульсами, однако из-за истощения химического состава батарея не способна выдерживать высокий ток нагрузки во время импульсов, и напряжение V_load быстро падает из-за увеличения поляризации в батарее. Напряжение V_idle будет следовать напряжению V_load, поскольку недостаток активных материалов в батарее также влияет на скорость восстановления напряжения между импульсами. Хотя напряжение на батарее с импульсной нагрузкой падает, непрерывный ток разряжает батарею более длительное время. Это говорит о более сильном влиянии импульсной, чем непрерывной нагрузки, несмотря на то, что средний ток при импульсной и непрерывной нагрузке одинаков.
При увеличении периода следования импульсов (см. рис. 3б и 3в) потребление среднего тока падает и можно достичь большей емкости батареи. Но по достижении емкости в 200 мА·ч батарея не способна больше выдерживать высокий пиковый ток нагрузки, и дальнейшее увеличение периода следования импульсов не позволяет увеличить емкость батареи. На рисунке 3г видно, что при еще большем увеличении периода следования импульсов средняя емкость батареи немного уменьшается по сравнению с емкостью, изображенной на рисунке 3в. Следует иметь в виду, что отклонения в сроке службы различных батарей при воздействии сравнительно высокой нагрузки могут быть значительными.
Что все это может означать для нашего приложения? Кроме очевидного факта, что воздействие на любую батарею типа CR2032 слишком высокой нагрузки (будь то средний или непрерывный ток) уменьшает емкость батареи, можно отметить, что высокий импульсный ток дополнительно уменьшает ожидаемую емкость батареи. Есть и еще одно замечание. Вернемся к приложению с КРТ в 2 В и предположим, что емкость батареи в 150 мА·ч была затрачена при установлении связи в канале при среднем токе потребления в 0,5 мА и менее (при периоде следования импульсов более 75 мс).
Как показано на рисунке 4 для кривой, соответствующей периоду следования импульсов 75 мс, при емкости батареи в 150 мА·ч напряжение на батарее еще составляет 2,2 В, а остаточная емкость батареи составляет примерно 25 мА·ч. Но при изменении режима работы беспроводного устройства период следования импульсов может внезапно уменьшиться и тогда характеристики разряда изменятся. Например, как видно из рисунка 4, для 10-мс периода следования импульсов КРТ батареи оказывается ниже 2 В, и в этом случае вероятно произойдет сбой или сброс приложения. Следовательно, для оценки срока службы батареи следует использовать наименьший период следования импульсов, который может быть реализован в приложении.

Рис. 4. Напряжение на батарее типа CR2032 при импульсной 30-мА нагрузке

Другим параметром, влияющим на разряд батареи, является пиковый ток во время импульсной нагрузки. Поскольку максимальной емкости батареи можно достичь при периоде следования импульсов более 25 мс, именно такая величина периода следования импульсов была использована в измерениях характеристик разряда батареи (см. рис. 5) при различных пиковых токах. Максимальный пиковый ток зависит от пикового тока, потребляемого беспроводным приложением, а также другими устройствами с высоким током потребления (например, светодиодами, LCD-дисплеями и датчиками), используемыми в приложении.

Рис. 5. Характеристики разряда батареи типа CR2032 в зависимости от уровня пикового тока

На рисунке 5 показаны характеристики разряда батареи типа CR2032 при различных амплитудах импульсной нагрузки. Видно, что даже пиковый ток в 10 мА является слишком высокой нагрузкой, чтобы можно было обеспечить полную емкость батареи в 240 мА·ч, которая определена в технической документации.
На рисунке 6 показано, что для приложения с КРТ, равной 2 В и менее, и пиковых токах менее 30 мА, потери емкости батареи являются контролируемыми, что позволяет достичь емкости 175…185 мА·ч. Но если КРТ выше 2 В, влияние тока нагрузки с высокой амплитудой быстро возрастает. Например, если приложение имеет КРТ = 2,4 В, батарея еще может обеспечить 175 мА·ч, когда пиковый ток ограничен 10 мА. Однако емкость батареи падает до 100 мА·ч, если пиковый ток достигает 30 мА. Поэтому при разработке приложений для работы от батарей важно выбирать активные устройства (микросхемы) с минимальным пиковым током и КРТ. Заметим, что это применимо ко всем устройствам в приложении, а не только к беспроводным устройствам. Если приложение содержит устройство с минимальным напряжением питания 2,4 В, то именно оно определяет КРТ, независимо от минимального напряжения питания беспроводного устройства.

Рис. 6. Влияние амплитуды импульсов на емкость батареи типа CR2032

После выбора компонентов важно определить, когда каждое устройств находится в активном режиме. Приложение может иметь несколько устройств, потребляющих ток мА-диапазона (например, радиочастотный чип, светодиоды, подсветка LCD-дисплеев и микросхемы датчиков). Поскольку ток батареи всегда будет равен сумме токов всех устройств, то если не контролировать, в какой момент каждое из устройств нагружает батарею, амплитуда пикового тока нагрузки может достигнуть 50…80 мА (см. рис. 5а и рис. 5б).
Важно помнить, что качественное управление питанием также влияет на характеристики приложения. Как было показано выше (см. рис. 2), при включении и выключении устройства с высоким пиковым током на шине питания наблюдается переходный процесс. Аналоговые устройства, такие как интерфейсы датчиков и радиосистемы, могут быть чувствительны к помехам по питанию, когда переходный процесс происходит в ответственный момент работы приложения. Переходные процессы по питанию во время приема пакета могут вызвать сбой приема. Эту проблему можно частично решить путем применения корректной развязки.

Чтобы оценить влияние импульсов и пикового тока для расчета напряжения на батарее под воздействием нагрузки, можно использовать собственное сопротивление батареи IR. Но поскольку IR находится по результатам измерений V_load и V_idle для конкретного тока, на его величину влияет ряд параметров батареи.
На рисунках 3 и 5 приведены данные измерений эквивалентного собственного сопротивления батареи IR. Значения IR, определенные на основе этих измерений, а также величина IR, указанная в техдокументации на батарею Energizer CR2032, приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Собственное сопротивление батареи типа CR2032

Как видно их графиков, величина IR остается довольно постоянной вне зависимости от периода следования импульсов и пиковых токов. Значение IR, определенное на основе этих измерений, в общем случае меньше, чем приведено в технической документации. Это, как и ожидалось, связано с использованием более коротких импульсов и, следовательно, с меньшей поляризацией батареи. Учитывая постоянную величину IR при этих измерениях, можно заключить, что похожая величина IR сохраняется для других сценариев использования сетей ANT+ и Bluetooth low energy.

При проектировании систем с питанием от литиевых плоских круглых батарей важно знать сильные и слабые стороны используемой батареи. Плоские круглые батареи обеспечивают весьма высокие пиковые токи, однако допускают падение напряжения питания и соответственно меньший запас по КРТ, в результате чего наблюдается деградация емкости батареи.
При проектировании систем с питанием от плоских круглых батарей следует учитывать рекомендации приведенные ниже.
1. Нужно учитывать, что емкость батареи, указанная в технической документации, будет меняться в зависимости от характера разряда батареи.
2. Для увеличения срока службы батареи следует:
– максимально увеличить допуск на КРТ, используя активные устройства (микросхемы) с минимальным номинальным напряжением питания;
– минимизировать потребление тока, используя устройства с наименьшим пиковым током и проектируя систему управления питанием таким образом, чтобы исключить одновременное включение в активный режим нескольких устройств с высоким потреблением (РЧ-чипы, светодиоды, LCD-дисплеи и т.д.).
3. Необходимо определить наихудший сценарий работы приложения с точки зрения энергопотребления:
– в каком режиме работы отмечается наиболее высокая активность приложения и, следовательно, максимальное потребление;
– в технической документации на (беспроводные) микросхемы нужно найти данные по среднему току потребления в нормальном режиме эксплуатации и заранее оценить энергопотребление этих устройств;
– если в какой-либо момент в процессе эксплуатации батареи возможны режимы высокого потребления, то их следует использовать для оценки срока службы батареи.
4. Используйте результаты измерений, приведенные в данной статье, для уточнения емкости батареи, используемой в вашем приложении.
5. Используйте уточненную емкость батареи и данные о максимальном среднем токе потребления в приложении для оценки срока службы батареи по следующей формуле:
срок службы батареи (час) = уточненная емкость батареи (мА·ч)/максимальный средний ток (мА).
6. Запомните, что эти правила применимы для любой импульсной нагрузки батареи с высокой амплитудой не только в беспроводных/радиочастотных схемах. Импульсная нагрузка с большой амплитудой может возникнуть в результате работы при любой комбинации таких устройств как светодиоды, электродвигатели, пьезоэлектрические датчики, подсветка LCD-дисплеев и т.д.