Recolección de energía versus baterías para el funcionamiento de sensores IoT durante décadas

La disponibilidad de circuitos integrados de ultra baja potencia ha llevado a una proliferación de circuitos y sistemas basados en sensores que requieren solo microamperios o miliamperios para funcionar. Estos productos se utilizan para el monitoreo ambiental (seguridad, temperatura, terremotos), el seguimiento de activos, la medición de energía/potencia y en monitores de uso médico, como algunos ejemplos.

Muchas de estas unidades necesitan funcionar durante diez, veinte o más años. Sin embargo, a menudo es difícil o imposible acceder a ellas para reemplazar la batería. Cambiar las baterías también es a menudo un costo prohibitivo.

Como resultado, los diseñadores deben examinar debidamente y decidir entre las opciones, o una combinación de opciones, que incluyen:

• Recolección de energía
• Una batería recargable (secundaria) con recolección de energía
• Una batería de ultralarga duración no recargable (primaria)
• Un supercondensador con batería primaria de ultralarga duración

Este artículo analizará las diversas opciones disponibles para un diseñador y sus compensaciones. En el proceso, presentará soluciones relacionadas y su uso por parte de Tadiran, Analog Devices, KEMET y Texas Instruments.

¿La recolección de energía es una opción inteligente?

Si es inteligente o no, depende, por supuesto, de la aplicación. Desde luego, la recolección de energía es una técnica atractiva y ampliamente utilizada para proporcionar energía con lo que, al principio, parece ser poco o ningún costo. Sus cuatro elementos claves son:

• Generación de energía (fuente)
• Conversión (usando un transductor de algún tipo)
• Almacenamiento (para usar en otro momento)
• Distribución (emisión eficiente a los circuitos requeridos)

El primer desafío de la recolección es identificar la fuente de energía más viable para aprovechar. Las fuentes comunes incluyen energía solar, eólica, hidroeléctrica, diferencial térmico, calor residual o inducción magnética. Otra fuente es alguna forma de vibración o movimiento mínimos, que pueden ser inducidos por caminar, por vibraciones geológicas de las construcciones o por vibraciones de motores.

Es importante tener en cuenta que, si bien los términos energía y potencia a menudo se usan indistintamente, en particular por el público en general, son diferentes, aunque están relacionados. La energía es la capacidad de hacer un trabajo, mientras que la potencia es la velocidad a la que se recolecta o gasta la energía. Por lo tanto, la energía es la integral respecto al tiempo de la potencia, mientras que la potencia es la derivada respecto al tiempo de la energía. En un sistema de recolección, la cantidad de energía recolectada y almacenada debe ser igual o mayor que su potencia integral, o el sistema no tendrá suficiente energía para funcionar a largo plazo. En otras palabras, la energía no se puede gastar en el agregado como potencia a una velocidad mayor que la velocidad a la que se la recolecta a lo largo del tiempo.

Una vez que se identifica la fuente de energía que se va a recolectar, se necesita un transductor para capturarla y transformarla en energía eléctrica. Este transductor puede tener muchas formas: una microturbina, una célula solar (o panel) o un cristal piezoeléctrico son solo algunas de las posibilidades. El siguiente paso es decidir cómo almacenar esta cantidad de energía errática, a menudo impredecible y generalmente pequeña, de modo que pueda extraerse según sea necesario para alimentar los productos electrónicos.

¿Batería, supercondensador o ambos?

Las dos opciones de almacenamiento viables son la batería recargable o el supercondensador, a veces llamado ultracondensador, aunque su nombre formal es condensador electroquímico de doble capa (EDLC). La decisión de usar una batería recargable o un supercondensador está determinada en gran medida por la magnitud, la duración y el ciclo de trabajo de la aplicación.

En general, los condensadores estándares (no los supercondensadores) pueden ofrecer grandes cantidades de energía, pero almacenan solo una cantidad relativamente pequeña de energía por unidad de volumen. En contraste, las baterías pueden almacenar grandes cantidades de energía, pero tienen potencias de salida más bajas. Entre los dos están los supercondensadores, que logran un equilibrio entre energía versus potencia.

En comparación con las baterías, los supercondensadores tienen una serie de ventajas:

• Los supercondensadores utilizan un almacenamiento de carga físico en lugar de una reacción química, por lo que pueden cargarse y descargarse muy rápidamente (milisegundos a segundos)
• A diferencia de las baterías, la vida útil del ciclo de carga y descarga de un supercondensador es casi ilimitada, ya que no depende de reacciones químicas
• La gestión de carga de los supercondensadores es más simple que para las baterías, ya que solo requieren corriente de carga y protección contra sobrevoltaje (OVP), en lugar de los algoritmos de carga de corriente constante y voltaje constante algo complejos y dependientes de la química asociados con las baterías

Por ejemplo, el modelo FC0V474ZFTBR24 de KEMET es un supercondensador de 47 milifaradios (mF) en una cápsula pequeña y sellada que mide 10.5 milímetros (mm) de alto y 8.5 mm de diámetro, con una clasificación nominal de 3.5 voltios (Figura 1). En el improbable caso de fuga del sello, solo se emite vapor de agua inofensivo (un gas) como resultado de la transición de estado de fase del agua líquida en el electrolito (ácido sulfúrico diluido) a gas.

Figura 1: El supercondensador modelo FC0V474ZFTBR24 de KEMET es una unidad de 3.5 voltios y 47 mF en una cápsula sellada de solo 10.5 mm de alto y 8.5 mm de diámetro. (Fuente de la imagen: KEMET Corp.)

Las baterías recargables se pueden usar en algunas situaciones a largo plazo y son mejores para aplicaciones donde el consumo de corriente es bajo pero relativamente constante, sin picos altos y con ciclos de trabajo bajos. Algunos diseños utilizan una combinación de una batería recargable con un supercondensador, con la batería cargando lenta y continuamente el condensador, que a su vez proporciona la corriente de carga máxima.

Para la mayoría de las aplicaciones a largo plazo, las químicas de iones de litio (Li-ion) son la mejor opción, entre las muchas alternativas químicas estándares disponibles, con respecto a los atributos de rendimiento eléctrico, así como a la densidad de energía por volumen y por peso.

Sin embargo, existen diferencias importantes entre las diversas químicas de litio en relación con atributos como voltaje de salida, características de carga/descarga, voltaje versus capacidad restante, rango de temperatura de funcionamiento y número de ciclos de carga/descarga. Este último atributo, al igual que otras especificaciones de la batería, también depende de la profundidad de descarga por ciclo. En la Tabla 1 se muestra un resumen de alto nivel de las características claves de dos químicas de baterías secundarias ampliamente utilizadas, níquel-cadmio (NiCad o NiCd) y Li-ion, así como de dos tipos básicos de condensadores masivos.

Tabla 1: Los condensadores y las baterías recargables tienen diferentes combinaciones de numerosos atributos de nivel superior. (Fuente de la imagen: KEMET Corp.)

Es simple en concepto, pero difícil en la práctica, determinar la capacidad de miliamperios por hora (mAh) que necesita el elemento de almacenamiento de energía para aplicaciones que requieren una duración extremadamente larga. Si bien el análisis de primer nivel se basa en la integral de la potencia necesaria, incluidos los modos de reposo, estado estable y pulsado, hay más en qué pensar al diseñar con estos dispositivos. Cuestiones como las pérdidas debidas a la resistencia equivalente en serie (ESR) interna y la degradación relacionada con la temperatura, son solo dos de los diversos factores que deben considerarse. Como resultado, se requiere un estudio cuidadoso de la hoja de datos de la batería o del supercondensador y de sus numerosos gráficos.

La administración de energía del sistema: un desafío continuo

Independientemente de si se elige una batería, un supercondensador o ambos en tándem, la administración del flujo de energía desde el transductor de recolección hasta el/los elemento/s de almacenamiento y luego su transmisión a la carga es un problema crítico de diseño. Esta función debe garantizar que la energía recolectada, generalmente un valor muy pequeño, se transfiera al elemento de almacenamiento con la máxima eficiencia y sin acortar la vida útil de la celda por sobrecarga, al mismo tiempo. La función de administración también debe medir la corriente según sea necesario para la carga, mientras consume muy poca energía en sí misma, y debe administrar el ciclo de descarga para evitar una descarga profunda, lo que degrada la cantidad de ciclos de carga/descarga de la batería a plena capacidad.

En el lado de la salida, el administrador también debe implementar la regulación CC/CC, de modo que el riel de carga se mantenga a un voltaje constante a pesar de las variaciones en el voltaje del elemento de almacenamiento y las demandas de carga. Dependiendo de la batería o el condensador elegidos, en el contexto de los requisitos de carga, esta regulación puede ser una función de modo reductor o elevador. También puede ser un regulador reductor/elevador combinado cuando el voltaje de salida del elemento de almacenamiento cruza desde estar por encima del riel de CC deseado hasta estar por debajo de él.

Por ejemplo, el modelo LTC3331EUH # PBF de Analog Devices es un regulador de CC/CC reductor/elevador nanopower con un cargador de batería de recolección de energía que está optimizado para los voltajes de fuente más altos de las células solares (Figura 2). Sin embargo, también se puede usar con fuentes de bajo voltaje para formar la base de una solución completa de recolección de energía con batería de respaldo. Alojado en un pequeño paquete QFN-32 de 5 mm × 5 mm, el LTC3331 presenta entradas duales (para energía solar y piezoeléctrica como fuentes de recolección, por ejemplo) y un regulador de CC/CC de salida única que prioriza entre las dos entradas.

Figura 2: El LTC3331 de Analog Devices puede manejar y priorizar entre dos fuentes de recolección y equilibrar dos supercondensadores más una batería, mientras emite entre 1.8 voltios y 5 voltios a hasta 5 mA (izquierda). También se muestra la secuencia de tiempo del LTC3331 cuando se carga una batería con energía recolectada (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las entradas recolectadas pueden estar entre 3.0 voltios y 19 voltios, mientras que el voltaje de la batería puede variar hasta 4.2 voltios; el riel de salida regulado se puede configurar entre 1.8 voltios y 5 voltios a 50 mA. También admite el uso de dos supercondensadores en serie, lo que se hace para aumentar el almacenamiento de energía y la eficiencia mediante el uso del equilibrado automático de celdas.

Los convertidores reductores y elevadores están controlados por la función de priorización. Esta función selecciona la fuente a utilizar de acuerdo con la disponibilidad de una batería y/o de energía aprovechable. Si la energía recolectada está disponible, el regulador reductor está activo y el elevador está desactivado. Un cargador de batería de derivación de 10 mA incorporado con desconexión de batería baja permite cargar la batería de respaldo para extender en gran medida su vida útil. La corriente en reposo, que es un factor crítico en la eficiencia del regulador, y especialmente en los diseños de recolección, es de solo 950 nA sin carga.

El problema del suministro a largo plazo, resuelto... o tal vez no

Si parece que las decisiones sobre la fuente de recolección disponible, el uso de batería o de supercondensador y las compensaciones del sistema son complicadas, pueden serlo. Pero hay dos problemas más importantes cuando se utiliza la recolección como fuente de energía, especialmente con las baterías. En primer lugar, las baterías recargables no tienen un número infinito de ciclos de carga/descarga. Su calificación típica de 1000 o 2000 ciclos, incluso en condiciones óptimas de carga/descarga y de temperatura, no alcanza lo que se requiere para que funcionen durante décadas.

En segundo lugar, hay una cuestión más amplia y difícil de cuantificar relacionada con la fuente de energía y el transductor. ¿La célula solar realmente estará completamente iluminada durante décadas, considerando la suciedad, el polvo, la posibilidad de que alguien construya algo cerca y bloquee la luz, o de que el crecimiento de los árboles ensombrezca las células? ¿La fuente de vibración siempre recibirá estimulación, incluso cuando cambien sus configuraciones y el entorno operativo? Estos son problemas muy difíciles de abordar y confirmar con un alto grado de confianza en muchas instalaciones del mundo real.

Con respecto al almacenamiento, también es algo contradictorio que una batería de celda primaria no recargable se considere para durar varias décadas, incluso si tiene un microamperio o una baja carga de miliamperios; después de todo, ¿no se secaría, corroería o sufriría alguna otra enfermedad relacionada a largo plazo? Sin embargo, cuando se utiliza el tipo correcto de batería primaria en las condiciones adecuadas, esta es una alternativa muy viable a la recolección. Además, por definición, el uso de celdas primarias evita por completo todos los problemas asociados con los ciclos de carga/descarga y con la administración.

Dicho esto, las celdas primarias sufren un fenómeno inevitable y de deterioro llamado autodescarga, en el que hay una pequeña pero definida cantidad de corriente de fuga interna, incluso si la batería no tiene carga o está físicamente desconectada. Esta autodescarga, para la mayoría de los tipos de celdas primarias a base de litio, es del orden del 3 al 4% de la capacidad inicial por año.

Las matemáticas básicas muestran que con una autodescarga del 4%, la capacidad de la celda se degradará a aproximadamente la mitad de su valor original en aproximadamente 12 años, sin contar ninguna pérdida de capacidad por el soporte de la carga. Como resultado de la autodescarga, determinar la vida útil utilizando un cálculo simple del consumo de corriente de carga versus la capacidad inicial de la batería es tremendamente optimista y francamente poco realista. Por esa razón, la mayoría de las celdas primarias no son adecuadas para aplicaciones a largo plazo, de varias décadas.

Sin embargo, las baterías basadas en una química de cloruro de tionilo de litio (LiSOCl₂), que utilizan una disposición interna de tipo bobina y procesos de fabricación patentados, pueden durar décadas, sin una autodescarga excesiva. Cuando se usan en los niveles de corriente muy bajos de muchos circuitos, y esto se combina con su autodescarga por debajo del 1%, pueden alimentar un sistema durante dos, tres e incluso cuatro décadas (Figura 3). También son livianas pero densas en capacidad: una celda LiSOCl₂ de alto rendimiento ofrece una densidad de energía por peso de ~ 650 vatios-hora por kilogramo (W-hr/kg) y por volumen de ~ 1280 W-hr/decímetro cúbico.

Según la Figura 3, la serie LiSOCl₂ XOL de Tadiran ofrece el 86% de la capacidad nominal después de 20 años (izquierda). Su serie LiSOCl₂ XTRA está al 80% después de 10 años, mientras que otras químicas han bajado al 70% (centro). Las altas tasas anuales de autodescarga de dióxido de litio y manganeso (LMNO₂₎ y las celdas alcalinas hacen que una duración de la batería de más de 10 años sea inalcanzable (derecha).

Figura 3: Capacidad de la batería para tres químicas diferentes después de 10 y 20 años únicamente debido a la pérdida por autodescarga (sin carga). La serie LiSOCl₂ XOL de Tadiran ofrece el 86% de la capacidad nominal después de 20 años (izquierda), la serie LiSOCl₂ XTRA de Tadiran está al 80% después de 10 años, mientras que otras químicas han bajado al 70% (centro). Las altas tasas anuales de autodescarga de LMNO₂ y las celdas alcalinas hacen que una duración de la batería de más de 10 años sea inalcanzable (derecha). (Fuente de la imagen: Tadiran Batteries)

La clave para la baja autodescarga de una batería LiSOCL₂ es una capa de pasivación de cloruro de litio (LiCl) que se forma inherentemente en la superficie del ánodo tan pronto como el litio entra en contacto con el electrolito, y así evita una mayor reacción o pérdida de capacidad. Es un aislante imperfecto que limita en gran medida el flujo de la corriente de autodescarga, pero la corriente de bajo nivel lo “empuja” parcialmente a un lado cuando la carga lo requiere.

En teoría, el grosor de la capa de pasivación se puede aumentar mediante el diseño y la fabricación para limitar aún más la autodescarga, pero la celda no funcionaría bien con corrientes de carga más altas. Por lo tanto, hay una compensación: acepte la autodescarga baja, pero restrinja el uso a aplicaciones de bajo consumo, o aumente aún más la autodescarga, pero use la celda con un consumo más alto por menos tiempo (para una capacidad dada).

Hay celdas disponibles que están optimizadas para un rendimiento de consumo ultra bajo. Considere la celda primaria TL-4902/S tamaño ½ AA LiSOCl₂ de la serie Tadiran XLO, que tiene solo 25 mm de largo con un diámetro de 14.5 mm. Esta batería cilíndrica tiene un voltaje terminal de 3.6 voltios, con una capacidad nominal de 1.2 Ah a 0.5 mA hasta 2 voltios (Figura 4). El voltaje de salida es plano con el tiempo, lo que aumenta dramáticamente con niveles de consumo más bajos, alcanzando 100,000 horas a 10 microamperios (µA).

Figura 4: La batería primaria TL-4902/S LiSOCl₂ de Tadiran puede suministrar 10 µA durante 100,000 horas sin disminución en el voltaje de salida. (Fuente de la imagen: Tadiran Batteries)

¿Qué pasa con las aplicaciones de corriente pulsada?

Tenga en cuenta que "cortar" la capa de pasivación lleva milisegundos, por lo que cuando el circuito de carga requiere corriente, en realidad hay una caída de voltaje transitoria, seguida por un aumento lento del voltaje de salida nominal. Por lo tanto, para maximizar la larga vida útil que estas celdas son capaces de tener, no deben usarse para cargas pulsadas, sino que sirven como fuentes continuas de baja corriente.

Dicho esto, existe una solución conveniente y práctica para las cargas pulsadas: combine la batería de baja corriente, descarga continua y larga vida útil con un supercondensador. Aquí, el circuito está configurado para que la batería cargue continuamente el supercondensador a una velocidad baja, mientras que el supercondensador se usa para suministrar la corriente de pulso más alta (Figura 5). En efecto, esta disposición utiliza la batería como fuente de energía de la que recolectar, aunque no en el sentido que sugiere el uso estándar del término.

Figura 5: Los diseñadores pueden obtener energía de ultra larga duración para cargas pulsadas en una disposición fácilmente administrada mediante el uso de una corriente continua de bajo valor desde una celda primaria de larga vida útil para cargar lenta y continuamente un supercondensador, y luego usar el supercondensador para cargas pulsadas de ciclo de trabajo bajo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El circuito integrado (IC) TPS62740 de Texas Instruments se adapta bien a esta configuración (Figura 6). Este convertidor reductor acepta un voltaje de entrada que varía de 2.2 a 5.5 voltios, tiene una especificación de corriente en reposo de 360 nA y opera con un pequeño inductor de 2.2 microhenry (µH) y un condensador de salida de 10 microfaradios (μF) mientras emite hasta 300 mA.

Figura 6: El convertidor reductor TPS62740 de Texas Instruments permite el uso de una batería para cargar el condensador pequeño y, por lo tanto, permite a los diseñadores hacer un uso óptimo de los atributos de cada dispositivo de almacenamiento de energía. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En una aplicación típica, la celda primaria LiSOCl₂ está conectada directamente al TPS62740 y es controlada por un microcontrolador que habilita/deshabilita el convertidor reductor, ajusta el voltaje de salida y permite una carga eficiente (Figura 7).

Figura 7: La combinación del TPS62740 con una celda primaria LiSOCl₂ y un condensador con la dirección de un microcontrolador da como resultado un subsistema de energía eficiente y de larga duración, con un funcionamiento de baja corriente en reposo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La salida del convertidor reductor está conectada a dos resistencias limitadoras de corriente para manejar el proceso de arranque, que es necesario para precargar el supercondensador a su mínimo de 1.9 voltios. Una vez que el condensador de almacenamiento está precargado, el interruptor se enciende y la corriente está limitada por la resistencia combinada. Con esta disposición, una gran carga de corriente máxima con un ciclo de trabajo bajo, como un nodo IoT (Internet de las cosas) inalámbrico, es viable con una vida útil máxima de la batería y una vida útil de funcionamiento de varias décadas.

Existen tres ventajas que surgen de usar el enfoque de celda primaria en lugar de recolectar energía con una batería recargable, incluso con un supercondensador adicional para el almacenamiento en búfer de la corriente de pulso:

• Eliminación del propio costo del transductor de recolección y de las incertidumbres de su viabilidad a largo plazo
• Eliminación de los problemas de gestión de la batería relacionados con el número limitado de ciclos de carga/descarga, así como de su dependencia con respecto a la profundidad de descarga y a la temperatura de funcionamiento
• Simplificación del subsistema de gestión de energía

Conclusión

Diseñar una fuente de alimentación que proporcione energía durante décadas sin atención o intervención es un requisito desafiante. Eso es cierto incluso para los requisitos relativamente modestos de los diseños de corriente y potencia ultra bajas utilizados para muchas aplicaciones de IoT basadas en sensores.

El uso de solo una batería primaria LiSOCl₂ de baja pasivación para aplicaciones de baja corriente, o de la química de esa batería en combinación con un supercondensador para cargas pulsadas de ciclo de trabajo bajo, ofrece una excelente alternativa a la elección más obvia, y quizás más intuitiva, de la recolección de energía con una batería recargable.