Batterie in salute per case smart

L’importanza dello stato di salute della batteria per una casa intelligente.

Negli ultimi anni si sono visti notevoli progressi nella crescita e nell’adozione di tecnologie per la casa smart. Milioni di persone hanno oggi videocitofoni, monitor per telecamere e impianti di sicurezza installati nelle loro case, mentre milioni di altre persone adotteranno probabilmente questo tipo di tecnologie nei prossimi anni.

La capacità di monitorare a distanza diverse zone della propria abitazione da uno smartphone ha incrementato la praticità e la fruibilità di questi sistemi, rispetto ai tradizionali impianti antifurto che non facevano altro che far suonare un allarme in caso di tentativo di effrazione. Ovviamente, il vero significato di «intelligente» è «connesso». Una qualche forma di comunicazione è necessaria per ritrasmettere il contenuto video da una videocamera remota a uno smartphone.

Data la natura di questa applicazione (sicurezza e protezione), il sistema deve essere il più affidabile possibile: in pratica serve una fonte di alimentazione affidabile che consenta a tutti i componenti del sistema di funzionare in qualsiasi momento.

Sebbene molti dispositivi delle case smart siano collegati alla rete elettrica domestica in AC, l’uso di telecamere remote o di altri componenti modulari collocati in differenti luoghi (anche all’aperto) ha portato all’utilizzo di un maggior numero di applicazioni finali a batteria. Garantire l’affidabilità del sistema e la comunicazione continua per un sistema «always-on» si traduce nella necessità di aggiungere l’intelligenza richiesta per il monitoraggio alla conservazione della batteria e del sistema di alimentazione. Come minimo, l’utilizzatore deve poter ricevere un allarme o una notifica se si verifica qualche tipo di problema. Ovviamente sarebbe preferibile che il sistema fosse in grado di segnalare continuamente lo stato di carica aggiornato e lo stato di salute della fonte di alimentazione.

Alcuni mesi fa ho scritto un post che descriveva un semplice modo per tenere carica una batteria. Ma cosa ne pensate della possibilità di garantire e segnalare lo stato di carica della batteria e, forse ancora più importante, il suo stato di salute? Il modo migliore per svolgere questo compito è l’uso di un misuratore di livello dedicato.

Per prima cosa, esaminiamo la differenza tra stato di carica e stato di salute. Lo stato di carica è qualcosa di noto alla maggior parte delle persone: la batteria è carica, scarica o una via di mezzo? Nel caso degli smartphone (che sono dotati di dispositivi integrati per la misurazione del livello della batteria) è possibile caricare e scaricare la batteria più di una volta al giorno. Ma per un’applicazione smart home, soprattutto se un componente modulare è collegato all’alimentazione in AC, lo stato di carica il più delle volte potrebbe essere vicino al 100%. La batteria viene utilizzata come fonte di alimentazione di riserva quando la fonte di alimentazione in AC non funziona. Pertanto, per questo tipo di applicazione, lo stato di carica non è sempre il parametro più utile da tenere sotto controllo.

Lo stato di salute si riferisce a quanto la batteria è «in forma» per l’esercizio rispetto allo stato della batteria nuova appena uscita dalla fabbrica. Ipotizziamo di iniziare con una batteria da 1000 mAh per l’applicazione. Dopo un anno o due di utilizzo, a seconda delle condizioni operative e ambientali, la batteria potrebbe scendere a una capacità effettiva di 850 mAh. Lo stato di salute sarebbe l’85%, poiché è l’85% la capacità di carica rispetto a una batteria nuova. Sebbene i casi siano molto diversi, le batterie possono spesso subire un degrado molto rapido una volta che il loro stato di salute scende al di sotto del 70-75%. Di conseguenza, una volta che la batteria raggiunge l’80%, solitamente è giunto il momento di sostituirla se l’applicazione ha un’importanza critica per la sicurezza o la protezione.

Figura 1: Effetto dei cicli sulle prestazioni della batteria

 

Consideriamo un sistema che possa funzionare fino a una tensione minima della batteria di 3,4 V: in queste condizioni, la batteria vecchia può fornire energia solo per un’ora circa, mentre una batteria nuova potrebbe durare per circa 1,7 ore.

Mentre spesso una corretta gestione della carica può ripristinare le batterie ricaricabili da «scariche» a «cariche», esse si consumano comunque per vari motivi con il passare del tempo. Il motivo più comune è dovuto ai ripetuti cicli di carica e scarica, ma un’altra causa è l’esposizione al calore.

Le telecamere contenenti batterie, utilizzate in applicazioni esterne, possono essere esposte ad alte temperature per lunghi periodi. Alcune telecamere sono dotate anche di pannelli solari per ricaricare la batteria. Sebbene questa caratteristica sia ottima per rendere possibili applicazioni scollegate dalla rete elettrica con connettività wireless, il posizionamento di un’unità in una posizione soleggiata potrebbe accelerare anche il degrado della batteria a causa di una prolungata esposizione al calore.

Oggi i progettisti di sistemi dispongono degli strumenti necessari per monitorare le condizioni di una batteria utilizzando un apposito misuratore di livello. Per saperne di più su questo argomento, Texas Instruments ha realizzato il seguente video:

Le seguenti ulteriori risorse possono essere di grande aiuto per chi progetta sistemi a batteria:

• Algoritmi esclusivi di misurazione del livello per applicazioni industriali: batterie primarie e applicazioni raramente scariche
• Caricabatterie per applicazioni industriali e per l’automazione degli edifici
• Che cosa si può fare con la ricarica semplice?