Por que as baterias dos eletrônicos de consumo são usadas de maneira desigual?

Ao trocar as pilhas de brinquedos infantis, controles remotos etc., eu testo as pilhas e percebi que elas drenam de maneira diferente. Um estará morto e o outro ainda está no verde.

Por que isso acontece? Além disso, neste extremo, por que não apenas ter uma única bateria?

Eles são tipicamente AA e podem ser os únicos com o produto ou recarregáveis.

Além disso, por que o dispositivo para e não começa a usar a bateria boa?

Sempre haverá alguma variação na capacidade entre as baterias. No uso de brinquedos, a corrente é tipicamente consumida em um nível alto em comparação com muitas outras aplicações, portanto, a resistência interna das baterias é muito importante.

Nesse serviço, a tensão sob carga cai muito rapidamente à medida que o fim da vida útil se aproxima, portanto, com pequenas diferenças de capacidade, as células podem ter voltagens bastante diferentes.

No entanto, as que parecem boas provavelmente também estão muito próximas do fim de sua vida útil, a menos que as células não tenham sido todas substituídas ao mesmo tempo por células igualmente frescas. A incompatibilidade na quantidade entre a embalagem e o uso (células empacotadas em 4 e usadas em 3, por exemplo) pode contribuir para uma incompatibilidade de capacidade.

Nos gráficos acima, para uma célula AA da Panasonic, você pode ver que a tensão cai durante um período de algumas horas de 1V a 0,8V. Um rádio dura cerca de 130 horas e o declínio é muito mais suave. Uma vez que a tensão cai abaixo do fim da vida útil de 800mV, ela cai rapidamente para uma tensão muito mais baixa e pode até reverter (sob carga ou mesmo após a remoção da carga) por causa da grande corrente reversa fornecida pelas outras células nos brinquedos. digite service.

Os testadores de bateria normalmente trabalham aplicando uma carga na bateria e medindo a tensão. A carga aplicada é necessariamente um compromisso entre os requisitos de aplicativos diferentes.

Se o seu testador de bateria consome uma corrente relativamente pequena, ele ainda pode achar que as células quase esgotadas estão boas (e estão bem, em um rádio!), Mas não pode confundir as células que foram carregadas até a morte. Esta é uma razão pela qual alguns testadores de bateria têm uma escolha de correntes para testar - com uma corrente mais alta, as células aparentemente "verdes" provavelmente estariam bem na faixa âmbar.

Em um brinquedo típico, as baterias são simplesmente conectadas em série e o brinquedo requer uma certa tensão total a uma corrente relativamente alta para operar. A cadeia de baterias da série é tão forte quanto o elo mais fraco; portanto, se uma bateria estiver muito descarregada, os motores etc. não receberão tensão suficiente para operar.

Os brinquedos geralmente são fornecidos com as células de bateria mais baratas, que podem ter capacidade menor, mas também têm a tolerância mais ampla. Essa tolerância e as "células mais fracas falham em primeiro lugar" é a regra geral.

Para entender isso, modele cada bateria como um capacitor carregado, digamos 1000 farads +/- 20%. Em seguida, coloque-os em série com a mesma tensão inicial e carregue-os com, digamos 100 ohms, e simule ou calcule o final da carga usando as tolerâncias de pior caso, digamos três células +20, 0 e -20%.

Então você vai entender. Por outro lado, as baterias de polímero de lítio e de carro começam em 0,1% e depois envelhecem em 10% antes da morte de uma célula com tolerância superior a -90% da carga inicial.

A ESR aumenta e C diminui rapidamente os valores no final da carga.

Se você analisar isso, entenderá.

Puxei o valor C do nada para facilitar a compreensão, mas isso depende da classificação da hora em mAh. I _c = C * dV / dt, em que dV geralmente é de 1,6 a 1 V = 0,6 V, dependendo da química, mas a classificação em mAh é I * dt = C * dV, então 50 mAh = 50 mA * 3,6 ks quando classificado por algum período como 1 C = 20 h, mas todas e todas as baterias também possuem algum valor de ESR, onde uma ampla tolerância se aplica e a ESR geralmente cai com a classificação RISING mAh, que muda com o SoC baixo e a idade longa.

A regra geral é que a ESR às vezes está relacionada a Ah, mas não de uma maneira.

No final, a RESPOSTA à sua pergunta é a célula da bateria com o menor valor de C [F] DECAYS MAIS RÁPIDO. Quando em série, se for sustentado, também será cobrado reversamente. próxima pergunta por favor ...

OK, aqui está uma comparação das capacidades da bateria AA.

A nota acima do "padrão DURACELL" é de 2000 mAh ou 2Ah ou 7200A-segundos

• EE sabedoria comum:

  • $f_{-3dB}=\dfrac{0.35}{t_R}$
  • RC = T ou L / R = T é definido como tempo assintótico,
    • para T = decaimento RC de 1 a 1 / e * 100% ~ 37% ou 0 a ~ 63%

• mas as informações de marketing de bateria às vezes usam a capacidade Ah usando 100% SoC a 0%, portanto, existem algumas diferenças nos padrões de tempo de medição.

No entanto, em ambos os casos, a energia armazenada é E = ½CV², mas no caso de uma bateria, recomendo E = ½C (Vi²-Vf²) como Vbat da inicial, Vi com 100% de Soc até Vf final, mas com 10% de SoC para evitar descargas profundas. envelhecimento rápido.

Cada voltagem é muito dependente da temperatura da célula; mas pelo que me lembro;

se você colocar uma carga leve para remover a memória de curto prazo, a medida Vbat (100%)

• Lipo ΔV = 0,7 de 3,6 a 3,0 V
• Ácido chumbo = 12,5 a 11,5 V
• Alcalina = 1.5V a 1V

Além das notas sobre as tolerâncias de fabricação da bateria, eu vi (pelo menos um) dispositivo que separaria as conexões elétricas da bateria em diferentes partes do circuito.

No meu caso, era um despertador barato com 3 pilhas AAA, duas em série para acionar a eletrônica e, em seguida, um terceiro em série com as duas primeiras para acionar o LED / Alarme.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Eu não acho que isso seja comum, mas é outra explicação possível.

re: Por que as baterias nos eletrônicos de consumo são usadas de maneira desigual?

1. A má qualidade das células e / ou células vieram de diferentes lotes. Isso pode resultar em diferentes tempos de descarte. Os dispositivos (brinquedos) geralmente requerem um certo número mínimo de V&A para funcionar corretamente. Quando a (s) célula (s) mais fraca (s) falhar (s) em fornecer sua parte dos V&A necessários para operar o dispositivo, o dispositivo começará a apresentar um desempenho insuficiente ou a parar todos juntos. Dependendo da inteligência do seu carregador e testador, à medida que as células envelhecem, essa diferença pode ser aumentada ao ponto de que, quando você mede as células, você encontra uma célula 'verde' no testador, enquanto a outra parece morta ou quase morta. .

2. Os usuários costumam misturar e combinar células em seus carregadores e dispositivos - muitas vezes misturando células recarregáveis ​​mais antigas com células mais novas - e às vezes até misturando células recarregáveis ​​com células primárias (descartáveis). À medida que as células recarregáveis ​​envelhecem, elas tendem a perder a capacidade de carga e tendem a ter diferentes perfis de descarga / descarga (em comparação com novas células). Dependendo do carregador usado, isso pode significar que um usuário usa várias células com cargas diferentes em seu dispositivo - o que, obviamente, resultará no dispositivo apenas operando enquanto a célula mais fraca for capaz de fornecer energia suficiente (o que geralmente é um tempo muito menor do que as células mais novas e de maior capacidade forneceriam energia para um dispositivo).

re: ... por que não apenas ter uma única bateria? "

Uma bateria é uma coleção de células. Obviamente, uma célula maior poderia ser fabricada para sua aplicação específica; no entanto, essa célula provavelmente seria menos útil na construção de baterias para outras aplicações, quando comparada aos modelos atuais de células.

re: "por que o dispositivo para e não começa a usar a bateria boa?"

Às vezes (dependendo da conectividade da célula), a energia de uma célula boa pode manter um dispositivo operando enquanto a outra célula mais fraca Peter está fora. Outras vezes, isso não é possível porque a capacidade de saída de energia (VA) da bateria diminuiu abaixo do limite mínimo necessário para operar o dispositivo.

Foi sugerido que uma bateria não pode ser modelada como um capacitor porque você não pode ressonar com um estrangulamento (também conhecido como reator).

Isso é falso e prova apenas que o Q é muito baixo para ressoar e não é um requisito para ser um capacitor (com uma tensão de junção de compensação química como um diodo que deve ser corretamente polarizado)

Sabemos que, para um circuito em série, a razão de reatância para resistência = Q deve ser> 1 para ressoar e >> 1 por um longo tempo, onde Q = 0,7 é definido como amortecimento crítico.

Posso dizer com segurança que as baterias estão com um capacitor ultra baixo (ruim) de baixo Q.

prova

Usando um único modelo C para uma bateria (aproximação de 1ª ordem)

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

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

• mas NUNCA provoque um curto-circuito em um LiPo não fundido, pois o aumento do calor fará com que ele exploda.

Para Q >> 1 ou 0,16Tr / 500> 1, para o período de ciclo Tr >> 3125 s ou >> 52 minutos

Em seguida, escolha um estrangulamento semelhante ou melhor Q >> 1 L / R >> 52 minutos egeg >> 100H / 30mΩ

É por isso que não é possível fabricar um oscilador LC a partir de uma bateria.

Alguns transformadores, como abaixo, têm um Q próximo, mas <1, com constantes de longo tempo.

BTW por diversão, apliquei uma célula LiPo 18650 nos enrolamentos primários de um transformador, como acima, em uma fábrica e, como esperado, V = LdI / dt era uma rampa lenta OVERdamped até a saturação. Que tanque!

A realidade é que as baterias são enormes SuperCaps com dezenas de milhares de Farads, mas com constantes de tempo muito longas e, portanto, baixo Q.

Mas para responder sua pergunta.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Para responder sua última pergunta:

Se um dispositivo funciona com 2 pilhas AA, elas geralmente são conectadas em série, o que significa que as tensões aumentam e se tornam a tensão operacional. Neste caso, 2 * 1.5V = 3V. O dispositivo pode operar apenas até um determinado limite, que difere de dispositivo para dispositivo. Digamos que o dispositivo seja projetado para 3V e possa operar com tensões maiores que 2V. Nesse caso, uma das baterias ainda pode ter carga quase cheia (por exemplo, 1,4V), mas a outra é completamente descarregada em 0,2V. Isso equivale a uma tensão de série combinada de apenas 1.6V, que não alimentará mais o dispositivo.

Cada bateria tem um ciclo de carga ou descarga diferente. Até a bateria mais ceia e cara tem algumas diferenças, independentemente do mesmo lote ou lote do mesmo modelo e fabricadas pela mesma empresa.

Você pode encontrar esse fenômeno não apenas na bateria de brinquedo mais barata, que normalmente vem com pares de par único, mas com várias fontes. Minha experiência pessoal mostra que o uso de baterias de nível industrial na rede de telecomunicações também difere de maneira diferente no mesmo banco de baterias.

Como mencionei antes, mesmo com o mesmo modelo e o mesmo padrão de uso, cada bateria se comporta de maneira atômica diferente no nível de carga ou descarga. Também há influência do ambiente assustador da bateria (a bateria do meio no banco de baterias tem uma exposição de temperatura mais alta) cria desempenho desigual e expectativa de vida.

Portanto, não é um caso aleatório, mas na maioria das vezes eles mostram desempenho diferente, mesmo atuando juntos ...