No entanto, a questão permanece sempre a mesma: quanto tempo durará a bateria? Para o consumidor, a troca de baterias é um incómodo, e para as células de combustível IIdC em grande escala, é um processo dispendioso. Por conseguinte, prolongar a vida útil da bateria é crucial, gerando perfis dinâmicos de consumo de energia e utilizando esses dados para selecionar métodos químicos apropriados e prever a vida útil da bateria.
Neste artigo, iremos examinar as técnicas e ferramentas disponíveis para prever com precisão a duração da bateria num projeto integrado.
A duração da bateria
tornou-se essencial na nossa rotina diária. Ninguém gosta de se preocupar em carregar dispositivos o dia todo, seja um carro ou uma trotineta elétrica, ou garantir que um smartwatch ou um rastreador de atividades físicas dura durante toda a aula no ginásio. O mesmo se aplica a dispositivos alimentados por bateria utilizados em ambientes comerciais ou industriais, como sensores IoT. É extremamente frustrante quando o rastreador de atividades físicas fica sem bateria a meio da aula, mas, no caso de um sensor industrial, as consequências podem ser paragens na produção e perdas financeiras significativas. É justo dizer que a duração da bateria tem um impacto direto no sucesso de um produto e na reputação de uma marca.
É cada vez mais claro que a chave está na conceção de sistemas integrados com um objetivo fundamental: reduzir o consumo de energia. Ter a expertise necessária para implementar técnicas de hardware e software que minimizem o uso de energia é essencial. Por outro lado, o aumento da duração da bateria é também importante do ponto de vista da sustentabilidade, uma vez que muitas empresas estão conscientes do impacto que esta tem no seu perfil de sustentabilidade ambiental empresarial. Um relatório afirmou que até 78 milhões de baterias serão descartadas todos os dias em todo o mundo até 2025, um exemplo claro do desafio que enfrentamos.
Objectivo: Reduzir o consumo de energia.
Para priorizar o objetivo de reduzir o consumo de energia, os projetistas de sistemas embebidos devem pensar nas suas aplicações de forma holística. Provavelmente não existem soluções rápidas e fáceis para reduzir o consumo de energia e prolongar a vida útil da bateria; normalmente, isto é conseguido através de etapas iterativas, cada uma representando uma pequena melhoria. Abaixo estão algumas ideias-chave que os programadores de sistemas embebidos devem considerar.
• Identificação do consumo de energia. Que funções do circuito consomem energia e como são sincronizadas com os outros componentes? Estas são as primeiras questões que devemos colocar, pois são fundamentais se queremos priorizar o objetivo de reduzir o consumo de energia. O microcontrolador principal terá um impacto considerável no perfil de consumo de energia do dispositivo e é geralmente responsável pela gestão da alimentação dos periféricos; por isso, vale a pena perguntar quais são os modos de espera do microcontrolador e como podem ser utilizados. Não nos podemos esquecer que existe um equilíbrio muito delicado entre os modos de hibernação profunda e a capacidade de resposta da aplicação. No setor de consumo, um dispositivo sai do modo de "hibernação profunda" quando, por exemplo, um utilizador toca no ecrã de um rastreador de atividades e demora alguns instantes a apresentar o menu de opções ou o estado da atividade em curso.
• Gestão do ciclo de vida da aplicação. Com que frequência deve a aplicação fazer uma leitura ou acionar uma ação? Para um termóstato inteligente, medir a temperatura a cada trinta segundos pode ser suficiente. Sensores mais complexos podem exigir um modo de funcionamento mais rápido. A frequência de ativação do dispositivo afeta significativamente o perfil de consumo de energia, uma vez que os níveis de corrente são muito mais elevados nestas situações. Outra forma de reduzir o consumo é desativar os sensores e as funções periféricas enquanto o microcontrolador processa os dados.
• Agendamento de tarefas para evitar picos de corrente. Com a informação recolhida nos dois pontos anteriores, podemos modificar o agendamento de tarefas de software e hardware para evitar picos de corrente. Estes picos têm um efeito negativo não só no consumo médio, mas também no desempenho da bateria: correntes elevadas podem acelerar a redução do estado de carga da bateria, diminuindo assim a sua vida útil.
• Seleção de uma fonte de alimentação. A substituição de uma bateria não recarregável é dispendiosa, limitando a sua utilidade em muitas aplicações. Na maioria dos casos, utilizam-se baterias recarregáveis que são recarregadas no local. Para este processo, as técnicas de captação de energia de fontes como a solar, eólica, vibração ou radiofrequência (RF) estão a tornar-se cada vez mais populares. Além disso, em alguns casos em que o perfil de corrente média é relativamente baixo, a substituição da bateria por um supercondensador ou ultracondensador é um método viável.
• Escolher a bateria certa. Além de considerar os elementos de desenvolvimento integrados já mencionados, é também importante analisar as características da própria bateria, uma vez que existem muitos tipos diferentes e os processos químicos envolvidos podem variar. Os parâmetros mais importantes devem ser consultados na ficha técnica, uma vez que é crucial determinar se o perfil de descarga ideal da bateria é o mais adequado ao ciclo de trabalho e às características de consumo de energia da aplicação. No entanto, encontrar a bateria ideal para uma aplicação específica não é fácil: os sistemas embebidos têm um perfil de consumo de energia dinâmico, em vez de uma curva de descarga estática; portanto, provavelmente precisaremos de recolher mais informações.
A medição do consumo de corrente é, sem dúvida, o fator mais importante na criação de um perfil de consumo de energia para um sistema embebido. Os multímetros digitais são práticos para testes e medições, mas geralmente requerem uma resposta mais dinâmica, uma gama de medição mais ampla e uma maior precisão de resolução. Por exemplo, o consumo de corrente de um sensor IoT sem fios e alimentado por bateria pode variar entre um microampère em modo de espera e vários miliamperes em funcionamento — uma gama dinâmica de 50:1. Esta característica dinâmica exige a utilização de equipamentos de medição especializados, como a linha Qoitech Otii, que abordaremos de seguida.
Como gerar perfis de corrente em sistemas integrados:
As unidades de perfilamento de energia Qoitech Otii Arc Pro e Otii Ace Pro foram concebidas especificamente para medir o consumo de energia em sistemas integrados alimentados por bateria e utilizam o software Otii Pro para análise de energia. O Qoitech Otii Arc Pro (Figura 1) é composto por um perfilador de energia, uma unidade de medição de potência, um analisador de potência CC e uma fonte de alimentação. O pacote completo de hardware e software pode medir, analisar e registar os níveis de corrente em tempo real com uma precisão de 5 nA a uma taxa de amostragem de 4 ksps.
Figura 1: O Qoitech Otii Arc Pro, uma unidade pequena e portátil (Fonte: Qoitech)
A fonte de alimentação do Otii Arc Pro gera entre 0,5 e 5 VCC, com um máximo de 5 A, e o processo de medição não acrescenta qualquer tensão adicional à carga. O dispositivo é integrado no sistema em medição utilizando a interface UART do Otii ou pinos GPIO. As mensagens de depuração enviadas pelo programador a partir do dispositivo em teste são sincronizadas com as medições de corrente em tempo real e apresentadas no ecrã de depuração (Figura 2). Este método permite aos engenheiros visualizar com precisão a análise de consumo nos pontos de interrupção e monitorização.
Figura 2: No software Otii Pro, as mensagens de depuração UART do dispositivo em teste aparecem juntamente com as medições de corrente em tempo real (fonte: Qoitech).
O Qoitech Otii Ace Pro oferece características semelhantes ao Arc Pro, mas a sua tensão de saída atinge até 25 VCC em incrementos de 1 mV; além disso, a gama de medição de corrente vai desde a escala de nanoampères até 5 A. A resolução da medição é inferior a 0,4 nA e a taxa de amostragem pode ser configurada até 50 ksps.
Caracterização e Estimação de Baterias:
Já abordámos a importância de compreender as características de descarga da bateria e vimos que esta não é uma tarefa fácil num sistema integrado dinâmico. Um complemento adicional ao software Qoitech Otii é o Otii Battery Toolbox.
Os sistemas integrados estão a tornar-se cada vez mais complexos, e as exigências comerciais e ambientais relacionadas com a extensão da vida útil da bateria continuam a crescer; portanto, é necessária uma abordagem mais científica para a seleção de baterias. Em vez de simplesmente partir de uma determinada capacidade da bateria e dividi-la pelo consumo médio para estimar a vida útil, ferramentas como o Otii Battery Toolbox oferecem uma estratégia mais objetiva. O Toolbox disponibiliza três funcionalidades que permitem analisar a duração da bateria com base no perfil de descarga. O software Otii padrão oferece uma ferramenta básica de estimativa de bateria, mas o Toolbox acrescenta mais funcionalidades.
À medida que a bateria descarrega, a tensão de saída diminui. A extensão exata da redução depende dos processos químicos e deve ser consultada na ficha técnica do fabricante. O sistema integrado continuará a operar até atingir um ponto em que as quedas de tensão afetem o seu funcionamento.
O primeiro passo para determinar a duração da bateria com o Otii Battery Toolbox é analisar o desempenho do dispositivo em diversas gamas de tensão da bateria, desde a tensão mais alta à mais baixa a que o dispositivo pode funcionar sem erros. Quanto mais precisas forem as medições, mais exatos serão os resultados. O software Toolbox pode reduzir a saída do Otii em incrementos de, por exemplo, 100 mV entre os dois limites da bateria. A seleção inicial da bateria determinará a gama de tensão selecionada, mas esta poderá ser alterada após a obtenção dos resultados. Por exemplo, uma bateria de polímero de lítio tem uma tensão de saída de 4,2 VCC quando está totalmente carregada e pode descer para 3,0 VCC; não deve ser utilizada para além desse limite.
A Figura 3 mostra o perfil do Otii Battery Toolbox de um dispositivo a operar com diferentes tensões de alimentação, de 3,7 a 4,5 VCC, em incrementos de 200/300 mV. O canto superior direito da imagem apresenta o consumo de corrente mínimo, máximo e médio para cada gama de tensão.
As opções de perfilamento da bateria estão localizadas na parte inferior central do ecrã, onde pode introduzir os dois valores para a corrente e a duração da descarga: alto para o modo ativo e baixo para o modo inativo. Também pode configurar a tensão de paragem ou o número de iterações. Além disso, pode introduzir dados para a primeira bateria a ser testada.
Figura 3: Primeiros passos no perfilador de baterias do Otii Battery Toolbox; pode ser observada a característica dinâmica da corrente consumida pelo dispositivo em teste a quatro tensões de alimentação diferentes (fonte: Qoitech).
Na fase seguinte de perfilagem, o dispositivo em teste é removido da unidade Otii e a primeira bateria selecionada é ligada. O software alterna entre valores altos e baixos durante o teste até que a tensão da bateria atinja a tensão de corte ou o limite de repetição. O perfil da bateria é então guardado para que o Otii possa emulá-lo. Desta forma, a saída do Otii simula a resistência interna e a tensão de saída da bateria perfilada, facilitando testes adicionais. Com este método, a seleção da bateria torna-se um processo específico, em vez de uma série de suposições e palpites, proporcionando uma ideia muito mais realista e representativa de como a bateria se comportará realmente. Para um tutorial detalhado sobre o processo de perfilagem de baterias, visite https://www.youtube.com/watch?v=qF_Ylxxo0Wk.
Análise do desempenho das baterias no mundo real:
Os dispositivos alimentados por bateria estão a tornar-se cada vez mais comuns, pelo que prolongar a vida útil da bateria é crucial em qualquer sistema embebido. Neste breve artigo, vimos porque precisamos de priorizar a redução do consumo de energia, quais são os desafios ao escolher uma bateria utilizando a ficha técnica e como podemos superá-los com o Qoitech Otii Battery Toolbox.
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics
