¿Por qué las baterías en la electrónica de consumo se usan de manera desigual?

Al cambiar las baterías de juguetes para niños, controles remotos, etc., pruebo las baterías y he notado que se agotan de manera diferente. Uno estará muerto y el otro todavía está en verde.

¿Por qué pasó esto? Además, en este extremo, ¿por qué no tener una sola batería?

Por lo general, son AA y pueden ser las que tienen el producto o las recargables.

Además, ¿por qué el dispositivo se detiene y no comienza a usar la batería buena?

Siempre habrá alguna variación en la capacidad entre las baterías. En el uso de juguetes, la corriente generalmente se consume a un nivel alto en comparación con muchas otras aplicaciones, por lo que la resistencia interna de las baterías es muy importante.

En ese servicio, el voltaje bajo carga cae bastante rápido a medida que se acerca el final de la vida útil, por lo que con diferencias menores en la capacidad, las celdas pueden tener voltajes bastante diferentes.

Sin embargo, los que parecen ser buenos probablemente también estén muy cerca de su final de vida, a menos que las células no se reemplacen todas al mismo tiempo con células igualmente frescas. El desajuste en la cantidad entre el empaque y el uso (celdas empaquetadas en 4 y usadas en 3 por ejemplo) puede contribuir a un desajuste en la capacidad.

En los gráficos anteriores para una celda AA de Panasonic, puede ver que el voltaje cae durante unas pocas horas de 1V a 0.8V. Una radio dura aproximadamente 130 horas y el descenso es mucho más suave. Una vez que el voltaje cae por debajo del final de la vida útil de 800 mV, caerá rápidamente a un voltaje mucho más bajo e incluso puede revertirse (bajo carga, o incluso después de que se retira la carga) debido a la gran corriente inversa suministrada por las otras celdas en el juguete. tipo de servicio

Los probadores de batería suelen funcionar aplicando una carga a la batería y midiendo el voltaje. La carga aplicada es necesariamente un compromiso entre los requisitos de las aplicaciones dispares.

Si su probador de batería consume una corriente relativamente pequeña, aún puede pensar que las celdas que están casi agotadas están bien (¡y están bien, en una radio!), Pero no puede confundir las celdas que se han cargado inversamente hasta la muerte. Esta es una razón por la cual algunos probadores de baterías tienen una opción de corrientes para realizar pruebas: a una corriente más alta, las celdas aparentemente 'verdes' probablemente estarían dentro del rango ámbar.

En un juguete típico, las baterías se conectan simplemente en serie y el juguete requiere un cierto voltaje total a una corriente relativamente alta para funcionar. La cadena de baterías en serie es tan fuerte como su eslabón más débil, por lo que si una batería está muy agotada, los motores, etc., no tendrán suficiente voltaje para funcionar.

Los juguetes a menudo se suministran con las celdas de batería más baratas, que pueden ser de menor capacidad, pero también tienen la mayor tolerancia. Esta tolerancia y la "célula más débil falla primero" es la regla general.

Para entender esto, modele cada batería como un condensador cargado, digamos 1000 faradios +/- 20%. Luego póngalos en serie con el mismo voltaje inicial y cárguelos con, digamos 100 ohmios, y simule o calcule el final de la carga usando las peores tolerancias del caso, digamos tres celdas +20, 0 y -20%.

Entonces lo entenderás. El polímero de litio y las baterías de los automóviles, por otro lado, comienzan con un 0.1% y luego envejecen hacia el 10% antes de la muerte de una sola célula con una tolerancia de más de -90% de la carga inicial.

La ESR aumenta y C disminuye en valores hacia el final de la carga rápidamente.

Si analizas esto, entonces lo entenderás.

Saqué el valor C de la nada para una comprensión simple, pero depende de la clasificación de la hora mAh. Yo _c = C * dV / dt donde dV generalmente es de 1.6 a 1 V = 0.6 V dependiendo de la química, pero la clasificación de mAh es I * dt = C * dV, entonces 50 mAh = 50 mA * 3.6 ks cuando se clasifica por algún período como 1 C = 20 h, pero todas y cada una de las baterías también tienen algún valor de ESR, donde se aplica una amplia tolerancia y la ESR generalmente cae con una clasificación de mAh RISING que cambia tanto con un bajo SoC como con una larga duración.

La regla general es que la ESR a veces está relacionada con Ah, PERO no de ninguna manera.

Al final, la RESPUESTA a su pregunta es la celda de batería con el valor C [F] más bajo DECAYS FASTEST. Cuando está en serie, si se mantiene, también se cargará inversamente. siguiente pregunta por favor...

OK, aquí hay una comparación de las capacidades de la batería AA.

La nota anterior del "estándar DURACELL" es 2000 mAh o 2Ah o 7200A-segundos

• EE sabiduría común:

  • $f_{-3dB}=\dfrac{0.35}{t_R}$ tiempo de subida 90% a 10% o 10 a 90%
  • RC = T o L / R = T se define como tiempo asintótico,
    • para T = desintegración RC de 1 a 1 / e * 100% ~ 37% o 0 a ~ 63%

• pero la información de comercialización de la batería a veces usa la capacidad Ah usando 100% SoC a 0%, por lo que hay algunas diferencias en los estándares de tiempo de medición.

Sin embargo, en ambos casos la energía almacenada es E = ½CV², pero en el caso de una batería, recomiendo E = ½C (Vi²-Vf²) como Vbat desde el inicio, Vi al 100% de Soc hasta el Vf final, pero en lugar del 10% de SoC para evitar una descarga profunda Envejecimiento rápido.

Cada voltaje depende mucho de la temperatura de la celda; pero como recuerdo;

si pones una ligera carga para eliminar la memoria a corto plazo, la medida Vbat (100%)

• Lipo ΔV = 0.7 de 3.6 a 3.0 V
• Plomo ácido = 12.5 a 11.5 V
• Alcalino = 1.5V a 1V

Además de las notas sobre las tolerancias de fabricación de la batería, he visto (al menos un) dispositivo que dividiría las conexiones eléctricas de la batería a diferentes partes del circuito.

En mi caso, era un despertador barato con 3 baterías AAA, 2 estaban en serie para hacer funcionar la electrónica, y luego un tercero estaba en serie con los dos primeros para hacer funcionar el LED / alarma.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

No creo que esto sea común, pero es otra posible explicación.

re: ¿Por qué las baterías en la electrónica de consumo se usan de manera desigual?

1. La mala calidad de la celda y / o las celdas provenían de diferentes lotes. Esto puede resultar en diferentes tiempos de descarga / carga. Los dispositivos (juguetes) generalmente requieren un cierto mínimo de V y A para funcionar correctamente. Una vez que las celdas más débiles no pueden proporcionar su parte de los V&A necesarios para operar el dispositivo, el dispositivo comenzará a funcionar mal o se detendrá todo junto. Dependiendo de la inteligencia de su cargador y probador, a medida que las celdas envejecen, esa diferencia puede aumentar hasta el punto de que cuando mide las celdas, encuentra que una celda se ve 'verde' en su probador mientras que la otra celda parece muerta o casi muerta .

2. Los usuarios a menudo mezclan y combinan celdas en sus cargadores y en sus dispositivos, a menudo mezclando celdas recargables más antiguas con celdas más nuevas, y a veces incluso mezclando celdas recargables con celdas primarias (desechables). A medida que las células recargables envejecen, tienden a perder capacidad de carga y tienden a tener diferentes perfiles de descarga / carga (en comparación con las nuevas células). Dependiendo del cargador utilizado, eso podría significar que un usuario usa varias celdas con diferentes cargas en su dispositivo, lo que, por supuesto, hará que el dispositivo solo funcione mientras la celda más débil sea capaz de proporcionar suficiente energía (que generalmente es un tiempo mucho más corto que las células más nuevas y de mayor capacidad proporcionarían energía a un dispositivo).

re: ... ¿por qué no tener una sola batería? "

Una batería es una colección de células. Por supuesto, se podría fabricar una celda más grande para su aplicación específica; sin embargo, esa celda probablemente sería menos útil para construir baterías para otras aplicaciones en comparación con los diseños de celdas actuales.

re: "¿por qué el dispositivo se detiene y no comienza a usar la batería buena?"

A veces (dependiendo de la conectividad de la celda) la energía de una buena celda puede mantener un dispositivo funcionando mientras las otras celdas más débiles se quedan sin Peter. Otras veces eso no es posible porque la capacidad de salida de potencia (VA) de la batería ha disminuido por debajo del umbral mínimo requerido para operar el dispositivo.

Se sugirió que una batería no puede modelarse como un condensador porque no puede resonar con un estrangulador (también conocido como reactor).

Esto es falso y solo prueba que la Q es demasiado baja para resonar y no es un requisito para ser un condensador (con un voltaje de unión de compensación química como un diodo que debe estar correctamente polarizado)

Sabemos que para un circuito de tanque en serie, la relación de reactancia a resistencia = Q debe ser> 1 para resonar y >> 1 durante mucho tiempo, donde Q = 0.7 se define como amortiguación crítica.

Puedo decir con seguridad, las baterías son condensadores ultra bajos (amortiguadores) Q de baja amortiguación.

prueba

Uso de un solo modelo C para una batería (aproximación de primer orden)

Q = | Xc (ω) | / ESR = $\dfrac{1}{ESR*2\pi fC}~~~Q=\dfrac{0.16T_r}{T} \text{ for T=ESR*C} ~~$

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

• pero NUNCA cortocircuite un LiPo sin fusible, ya que el aumento de calor hará que explote.

Para Q >> 1 o 0.16Tr / 500> 1, entonces el período de ciclo Tr >> 3125 so >> 52 minutos

Luego elija estrangulador similar o mejor Q >> 1 L / R >> 52 minutos egeg >> 100H / 30mΩ

Es por eso que no es posible hacer un oscilador LC a partir de una batería.

Algunos transformadores como a continuación tienen una Q cercana pero <1 con constantes de tiempo prolongado.

Por cierto, apliqué una celda 18650 LiPo a través de los devanados primarios de un transformador como el anterior en una fábrica y, como se esperaba, V = LdI / dt fue una rampa lenta sobreamortiguada hasta la saturación. ¡Qué tanque!

La realidad es que las baterías son enormes SuperCaps con decenas de miles de Farads pero constantes de tiempo muy largas y, por lo tanto, bajo Q.

Pero para responder a tu pregunta.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Para responder a tu última pregunta:

Si un dispositivo funciona con 2 baterías AA, generalmente se conectan en serie, lo que significa que los voltajes se suman para convertirse en el voltaje de funcionamiento. En este caso 2 * 1.5V = 3V. El dispositivo puede funcionar solo hasta un cierto umbral, que difiere de un dispositivo a otro. Digamos que el dispositivo está diseñado para 3V y puede funcionar con voltajes mayores a 2V. En este caso, una de las baterías puede tener una carga casi completa (digamos 1.4V), pero la otra está completamente descargada a 0.2V. Esto equivale a un voltaje combinado en serie de solo 1.6V que ya no alimentará el dispositivo.

Cada batería tiene un ciclo diferente de carga o descarga. Incluso la batería más cara y costosa tiene algo diferente, independientemente del mismo lote o lote diferente del mismo modelo y fabricado por la misma compañía.

Puede encontrar este fenómeno no solo en la batería de juguete más barata que normalmente viene con pares de un solo par, sino con varias fuentes. Mi experiencia personal muestra que el uso de baterías de grado industrial en la red de telecomunicaciones también se excava de manera diferente dentro del mismo banco de baterías.

Como mencioné antes, incluso con el mismo modelo y el mismo patrón de uso, cada batería se comporta de manera diferente en el nivel atómico durante el ciclo de carga o descarga. También existe la influencia del entorno circundante de la batería (la batería del medio en el banco de la batería tuvo una mayor exposición a la temperatura) crea un rendimiento desigual y una esperanza de vida.

Por lo tanto, no es un caso aleatorio, pero la mayoría de las veces muestran una conformidad diferente, incluso actuando juntos ...