Come scegliere la batteria giusta per un progetto di elettronica portatile?

Finalizzi il PCB, fai realizzare l’involucro personalizzato e poi ti rendi conto di non avere idea di come alimentare l’hardware per più di venti minuti. È una classica trappola nella progettazione hardware. I team che sviluppano dispositivi elettronici portatili spesso lasciano la scelta della batteria per ultima, trattandola come se fosse un normale componente plug and play.

Le batterie determinano le dimensioni, il peso, le caratteristiche termiche e la conformità alle normative di sicurezza dell’intero prodotto. Se si sceglie la fonte di alimentazione sbagliata, un dispositivo perfettamente programmato può trasformarsi in un costoso fermacarte. Scegliere la batteria giusta significa analizzare numeri concreti e vincoli fisici ancora prima di iniziare a consultare un catalogo.

Partire dal budget energetico

Molte persone acquistano semplicemente una cella LiPo da 3,7 V da un sito dedicato agli hobbisti e sperano che funzioni. Questo approccio può andare bene per un progetto su breadboard realizzato durante il fine settimana. Fallisce completamente, però, quando si cerca di costruire un prototipo affidabile destinato all’utilizzo sul campo. È necessario effettuare un calcolo rigoroso del proprio budget energetico.

Ciò significa calcolare l’assorbimento medio di corrente continua e il picco massimo assoluto di corrente. Ad esempio, si potrebbe progettare un tablet personalizzato per saloni di bellezza che esegue un breve strumento di anteprima delle acconciature sfruttando l’elaborazione delle immagini direttamente sul dispositivo. Mentre lo schermo potrebbe assorbire una quantità di energia prevedibile, il processore richiederà molta corrente ogni volta che dovrà elaborare attivamente una nuova sovrapposizione grafica.

Se la batteria non è in grado di gestire questo improvviso picco nella velocità di scarica, la tensione cala immediatamente. Quando la tensione scende al di sotto della soglia operativa del microcontrollore o del circuito integrato di gestione dell’alimentazione, si verifica un calo di tensione e il dispositivo si riavvia.

È quindi necessario misurare il comportamento del sistema durante la modalità deep sleep, durante il normale utilizzo attivo e nello scenario peggiore possibile, nel quale tutti i moduli radio, lo schermo e il processore funzionano al massimo delle proprie capacità. La capacità della batteria deve essere progettata tenendo conto di questo picco nel peggiore scenario possibile, non soltanto del consumo medio in stato di inattività.

La chimica determina le prestazioni

Esistono differenti chimiche per le batterie perché nessuna singola tecnologia è in grado di risolvere ogni problema. È necessario scegliere la chimica più adatta in base all’ambiente e al profilo di utilizzo.

Le celle ai polimeri di litio, o LiPo, rappresentano una soluzione standard per i dispositivi elettronici di consumo personalizzati perché possono essere prodotte sotto forma di sottili celle piatte, capaci di adattarsi perfettamente agli involucri dei dispositivi moderni. Offrono un’eccellente densità energetica, ma richiedono particolare attenzione durante la ricarica e un’adeguata protezione fisica. Se vengono utilizzate in maniera impropria, possono gonfiarsi.

Le celle cilindriche agli ioni di litio, in particolare nei formati 18650 e 21700, sono più ingombranti. Sono però anche estremamente resistenti, facilmente reperibili e meno soggette ai danni provocati dalle perforazioni grazie al loro involucro metallico. Se il progetto dispone di una profondità sufficiente per ospitare una cella cilindrica, le batterie standard agli ioni di litio risultano spesso più economiche e affidabili rispetto alle celle pouch personalizzate.

Le batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4) presentano valori leggermente inferiori in termini di tensione e densità energetica, ma risultano nettamente superiori sotto il profilo della sicurezza e della longevità. Queste celle possono sopportare migliaia di cicli di ricarica e presentano un’elevata resistenza alla fuga termica. Sono ideali per utensili industriali o apparecchiature destinate a operare in ambienti difficili.

Le batterie a bottone sono invece adatte agli orologi in tempo reale e ai semplici beacon Bluetooth Low Energy. Forniscono correnti nell’ordine dei microampere. Non bisogna cercare di alimentare un motore, un array di LED ad alta luminosità o un modulo Wi-Fi utilizzando una batteria a bottone.

Vincoli fisici e tolleranze

Le batterie occupano un volume considerevole e contribuiscono a determinare il centro di gravità dell’hardware. Se si sta progettando un dispositivo indossabile o uno strumento portatile, una batteria pesante posizionata nel punto sbagliato può compromettere completamente l’ergonomia.

È inoltre necessario tenere conto delle tolleranze di produzione. Una batteria pouch ai polimeri di litio dichiarata con uno spessore di 5 millimetri potrebbe in realtà misurare 5,5 millimetri una volta arrivata dalla fabbrica. Se l’involucro in plastica è stato progettato senza lasciare alcuno spazio aggiuntivo, potrebbe risultare impossibile chiuderlo correttamente.

Le batterie, inoltre, si espandono e si contraggono leggermente durante i normali cicli di carica e scarica. È quindi indispensabile lasciare un adeguato margine meccanico all’interno dell’alloggiamento.

L’instradamento dei cavi rappresenta un altro aspetto che viene spesso trascurato. Un pacco batteria necessita di un connettore, solitamente conforme agli standard JST o Molex. Questi connettori richiedono uno spazio verticale adeguato sulla scheda elettronica. Layout apparentemente perfetti possono creare problemi durante l’assemblaggio semplicemente perché qualcuno ha dimenticato di lasciare tre millimetri di spazio aggiuntivo per consentire al cavo della batteria di piegarsi naturalmente.

Circuiti di protezione e gestione termica

Le batterie al litio comportano rischi intrinseci. Non è possibile collegarle direttamente a un carico e presumere che tutto funzioni correttamente. È necessario utilizzare un Battery Management System (BMS) oppure un modulo di protezione di base collegato direttamente alla cella. Questo circuito scollega fisicamente la batteria quando rileva un sovraccarico, una scarica eccessiva oppure un cortocircuito.

Si pensi a un’azienda che sta realizzando uno specchio portatile premium per fiere dedicate al settore cosmetico, dotato di un sistema di anteprima virtuale del grooming destinato ai potenziali acquirenti. Il dispositivo potrebbe rimanere per tutto il giorno sul pavimento di un centro congressi collegato a un adattatore da parete, mentre contemporaneamente esegue elaborazioni grafiche intensive sfruttando la batteria interna.

Un circuito di ricarica economico e mal progettato continuerà a mantenere costantemente al massimo la carica della cella al litio, sottoponendo la sua chimica a stress e generando calore in eccesso. È necessario un sistema di gestione dell’alimentazione capace di gestire correttamente il power path routing, indirizzando l’alimentazione proveniente dalla rete elettrica direttamente al dispositivo e, contemporaneamente, caricando la batteria in maniera separata e sicura.

La gestione termica è altrettanto importante. Le batterie si riscaldano quando vengono scaricate rapidamente e durante la ricarica. Se una batteria viene sigillata all’interno di un contenitore di plastica impermeabile e privo di ventilazione, accanto a un processore che genera calore, la temperatura ambientale all’interno dell’involucro aumenterà notevolmente.

Il calore degrada in modo permanente la capacità della batteria e può creare rischi per la sicurezza. È quindi necessario prevedere sistemi di raffreddamento passivo o soluzioni adeguate per la dissipazione del calore.

Approvvigionamento e logistica della supply chain

La spedizione delle batterie rappresenta una sfida sia dal punto di vista legale sia da quello logistico. Le batterie al litio sono classificate come merci pericolose. La certificazione UN38.3 è obbligatoria per poterle trasportare legalmente in aereo.

Acquistando celle economiche e prive di certificazione da un fornitore sconosciuto, si potrebbero risparmiare cinquanta centesimi per unità sulla distinta base. Quel risparmio potrebbe però trasformarsi in una perdita dieci volte superiore nel momento in cui l’intera spedizione viene bloccata alla dogana oppure rifiutata da uno spedizioniere.

È quindi opportuno acquistare sempre celle che dispongano già delle certificazioni UN38.3 e UL. Questo rende la gestione notevolmente più semplice quando si passa dalla realizzazione di un singolo prototipo alla produzione in piccoli lotti.

È inoltre necessario considerare il ciclo di vita del prodotto. Se si progetta un involucro personalizzato attorno a un pacco batteria dalle dimensioni molto specifiche e insolite, prodotto da un’unica fabbrica, si crea una situazione di vulnerabilità.

Se quella fabbrica interrompe la produzione dello specifico SKU dopo due anni, potrebbe essere necessario riprogettare gli stampi in plastica per adattarli a una nuova batteria. Quando possibile, è quindi preferibile progettare il prodotto attorno a dimensioni standard oppure assicurarsi un accordo che garantisca la continuità della fornitura.

Bisogna infine trovare un fornitore in grado di mettere a disposizione una scheda tecnica completa. È opportuno osservare il valore di capacità dichiarato e presumere che possa essere sovrastimato almeno del 10%.

Se dai calcoli emerge la necessità di una batteria da 2000 mAh per raggiungere l’autonomia desiderata, è preferibile integrare nel progetto una batteria da 2500 mAh. I componenti invecchiano, l’efficienza diminuisce nel corso del tempo e le basse temperature hanno un impatto significativo sulle prestazioni.

Tenere conto fin dall’inizio di questo margine aggiuntivo permette di evitare importanti revisioni dell’hardware nelle fasi successive.