Battery Life

Pri vývoji nových zariadení pre internet vecí je vždy dôležitou otázkou, ako dlho vydrží zariadenie pracovať, keď je napájané z batérie. Odpoveď na túto otázku záleží najmä od dvoch vecí:

• od kapacity batérie, a
• od spotreby zariadenia.

Battery Capacity

Kapacita batérie sa často udáva v jednotke Ah (ampérhodina), resp. v nižších jednotkách mAh (miliampérhodina). Batéria má kapacitu jednej ampérhodiny, ak je schopná pri svojom nominálnom napätí dodať teoreticky do záťaže prúd 1A po dobu 1 hodiny.

Kapacita batérií rovnakého typu sa môže líšiť v závislosti od výrobcu. Prehľad kapacít najznámejších batérií na trhu je zobrazený v nasledujúcej tabuľke. Batérie sú označené podľa ANSI označenia. Podľa IEC označenia sú označené len mincové a gombíkové batérie.

To, že je však batéria schopná dodávať prúd o veľkosti 1A neznamená, že ho bude dodávať konštantne po celý čas. Veľkosť prúdu, ktorý bude z batérie odoberaný, záleží od veľkostí záťaže, ktorá je k nemu pripojená. Vychádzajúc z ohmovho zákona je teda možné povedať, že ak je záťaž malá, bude batéria dodávať veľký prúd. Ak je naopak záťaž veľká, bude dodávať malý prúd. Napríklad, ak je k batérii s kapacitou 1Ah pripojená záťaž, ktorá odoberá 500mA, bude táto batéria schopná dodávať tento prúd 2h. Ak bude ale k takejto batérii pripojená záťaž, ktorá potrebuje 2A, bude táto batéria schopná dodávať prúd len 30m.

Vypočítať dobu životnosti batérie, resp. čas, počas ktorého je možné zariadenie napájať z batérie, je možné ako podiel kapacity batérie a veľkosti prúdu pretekajúceho záťažou. $Battery\space{}Life = \frac{Battery\space{}Capacity\space{}[Ah]}{Load\space{}Current\space{} [A]}$ Napríklad, ak by bolo ku batérii s kapacitou 1000mAh pripojené Arduino Uno, ktoré po zapojení odoberá prúd okolo 50mA, vydrží byť napájané spolu 20h: $Battery\space{}Life = \frac{Battery\space{}Capacity}{Load\space{}Current} = \frac{1 Ah}{0.05A} = 20\space{}hours$

Podľa uvedeného vzťahu by teoreticky mohla batéria s kapacitou 1Ah dodávať do záťaže prúd o veľkosti 100A po dobu 6m (0.01h). Maximálne množstvo odoberaného prúdu z batérie je však limitované veľkosťou vnútorného odporu. Tento odpor je veľmi malý (rádovo mΩ) a je aj zdrojom tepla, ktoré vzniká pri dodávaní prúdu do záťaže. Informáciu o tom, aký najväčší prúd je batéria schopná bezpečne dodávať, je možné nájsť v datasheet-e príslušnej batérie.

Z uvedenej charakteristiky vybíjania batérie NCR18650B je možné vidieť, že čím väčší prúd je z batérie odoberaný, tým nižšia je kapacita a tým rýchlejšie sa batéria vybije (a tým väčšie sú straty v podobe tepla). Rovnako tak je z charakteristiky možné vidieť, že čím väčší prúd bude z batérie odoberaný, tým nižšie bude výstupné napätie. To je spôsobené vnútorným odporom batérie.

Z charakteristiky vybíjania batérie je teda monžé vidieť priebeh vybíjania v rozličných podmienkach. Údaje uvedené na batérii je teda možné brať ako orientačné hodnoty v ideálnych podmienkach. V prípade batérie NCR18650B sa jedná napríklad o napätie 3.7V a kapacitu 3400mAh.

Pri porovnávaní dvoch batérií s rovnakou kapacitou, ale rozličnou hodnotou nominálneho napätia by sa na základe uvedeného mohlo zdať, že obe dodávajú rovnaké množstvo energie. To však nie je pravda. Batéria s vyšším nominálnym napätím bude mať viac energie. Množstvo energie, ktoré je batéria schopná dodať, záleží nie len od jej kapacity, ale aj od veľkosti nominálneho napätia. Na vyjadrenie množstva energie, ktoré dokáže batéria dodať, sa používa jednotka Wh (watthodina) a je ju možné vypočítač ako násobok kapacity batérie a veľkosti jej nominálneho napätia: $Battery\space{}Energy = Battery\space{}Capacity\space{}[Ah] \cdot Nominal\space{}Voltage\space{}[V]$

Napríklad, batéria NCR18650B má podľa datasheet-u nominálne napätie 3.6V a (typickú) kapacitu 3350mAh. Energia, ktorú je táto batéria schopná uchovať je 11.39Wh: $Battery\space{}Energy = Battery\space{}Capacity\space{} \cdot Nominal\space{}Voltage\space{} = 3.4Ah \cdot 3.35V = 11.39Wh$ Pri dizajnovaní a prevádzkovaní IoT zariadení sa neodporúča uvažovať o nabíjacích bateriách. Nabíjateľné batérie sú do zariadení, ktoré sa používajú denne, ako napr. MP3 prehrávače, fotoaparáty alebo klávesnice a myši. Použitie nabíjateľných batérií je v tomto prípade finančne výhodnejšie, ako dokupovať neustále nové batérie.

IoT zariadenia sú totiž zariadenia, ktoré sa nepoužívajú denne, resp. neustále. Častokrát sa takéto zariadenie len zobudí, odčíta hodnotu zo senzora, odošle ju na spracovanie a opäť zaspí. Nabíjateľné batérie totiž trpia samovoľným vybíjaním, ktoré znižuje ich výdrž. Aj bez toho, aby bola nabíjateľná batéria používaná, sa môže po pár mesiacoch sama vybiť. Použitím nenabíjateľných (teda alkalických) batérií sa je možné tomuto problému vyhnúť. Zariadenia napájané alkalickými batériami dokážu fungovať mesiace až roky bez nutnosti výmeny batérií.

Device Consumption

Určiť spotrebu zariadenia je o niečo zložitejšie. Zariadenie totiž môže počas svojej prevádzky v závislosti od ďalších pripojených komponentov (obvodov) odoberať v rozličnom čase rozličné množstvo energie. Ak je teda cieľom, aby zariadenie bolo z batérie napájané čo najdlhšie, je potrebné zvážiť použitie každého jedného prvku v zariadení, jeho spotreby, ako aj využitie vhodných vlastností mikrokontroléra na dosiahnutie čo najnižšej spotreby. Tieto možnosti budú opísané v nasledujúcich kapitolách.

Serial vs Parallel

Dopad na výdrž batérie bude mať aj zapojenie viacerých batérií dokopy. To, ako sa však výdrž prejaví, záleží od spôsobu ich vzájomného zapojenia. Batérie môžeme zapojiť buď do série, paralelne alebo sériovo-paralelne.

Pri sériovom zapojení batérií sa póly batérií zapájajú opačne. To znamená, že ku kladnému pólu jednej batérie sa pripojí záporný pól druhej batérie. Výsledné nominálne napätie takto vytvorenej batérie vznikne súčtom nominálnych batérií zapojených do série. Výsledná kapacita sa zasa vypočíta ako priemerná hodnota kapacít všetkých zapojených batérií.

Ak sa napríklad do série zapoja dve batérie s kapacitou 2000mAh a nominálnym napätím 1.5V, bude výsledná hodnota nominálneho napätia 3V. Kapacita batérie sa však nezmení.

Pri paralelnom zapojení batérií sa navzájom prepájajú rovnaké póly. To znamená, že ku kladnému pólu jednej batérie sa pripojí kladný pól druhej batérie. To isté platí aj pre záporné póly. Výsledné nominálne napätie takto zapojenej batérie vznikne ako priemer napätí zapojených batérií. Výsledná kapacita bude súčtom kapacít zapojených batérií.

Ak sa napríklad paralelne zapoja dve batérie s kapacitou 2000mAh a nominálnym napätím 1.5V, zostane veľkosť nominálneho napätia 1.5V. Kapacita batérie sa však zvýši dvojnásobne (4000mAh).

Samozrejme je možné vytvoriť sériovo-paralelné zapojenie a kombinovať tak vlastnosti sériového a paralelného zapojenia. Ak napríklad budú batérie zapojené podľa nasledovného zapojenia, bude výsledná hodnota nominálneho napätia takto vytvorenej batérie 3V a jej kapacita bude 4000mA.

Issues when Connecting Batteries

Pri sériovom a paralelnom zapájaní viacerých batérií sa odporúča používať rovnaké batérie - aj čo sa týka veľkosti nominálneho napätia, ale hlavne čo sa týka ich kapacity. Batéria s nižšou kapacitou spôsobí nerovnováhu potenciálov a v prípade paralelného zapojenia batérií sa budú snažiť ostatné batérie takúto batériu dobiť. V prípade sériového zapojenia sa batéria s najnižšou kapacitou pri pripojenej záťaži vybije ako prvá, čo spôsobí predčasné vypnutie zariadenia. V režime nabíjania sa zasa ako prvá nabije a bude dlhšie prebíjaná ako ostatné batérie.

Dá sa však stretnúť aj s batériami, ktoré tento prístup čiastočne porušujú. Napríklad batérie v laptopoch sa často skladajú z viacerých článkov, ktoré sa zapojené kombinovane. Napríklad v kombinácii označovanej ako 4s2p sú 4 batérie zapojené do série, aby dosiahli nominálnu úroveň napätia 14.4V a 2 sú zapojené paralelne, aby zvýšili kapacitu batérie napr. z 2400mAh na 4800mAh.

Pri výmene batérií sa z uvedených dôvodov odporúča vymieňať celú sériu použitých batérií za novú. To sa rovnako týka aj prípadov, kedy sa v batérii zloženej z niekoľkých článkov jeden z nich pokazí. Výmena jedného samostatného článku by spôsobila nerovnováhu. Preto je istejšie vymeniť vždy celý battery pack za nový.

Pri umiestňovaní IoT zariadení do vonkajších priestorov treba dávať pozor aj na teplotné vlastnosti batérií. Vplyv teploty na životnosť batérií je totiž priama - čím je prostredie chladnejšie, tým skôr sa batéria vybije. Chladná batéria totiž zvyšuje vnútorný odpor a znižuje jej kapacitu. Ideálnou teplotou pre korektné fungovanie batérie je obyčajne izbová teplota okolo 20°C (68°F). Pri použití vo vonkajších priestoroch je teda dobré vždy overiť teplotné podmienky použitia zvolenej batérie v jej datasheet-e.

Teplotnú závislosť batérie je možné vidieť aj na teplotnej charakteristike vybíjania batérie NCR18650B - najrýchlejšie sa batéria vybije pri najnižšej teplote. Z charakteristiky je tiež možné vidieť, že vplyv teploty je aj na veľkosť výstupného napätia.