Quale è la miglior batteria per un progetto di elettronica portatile?

Si trascorrono mesi a perfezionare il layout di un PCB, ottimizzare il firmware e scegliere il microcontrollore perfetto. Poi ci si rende conto di non avere idea di come alimentare concretamente il dispositivo nel mondo reale. La scelta della batteria viene solitamente considerata soltanto in un secondo momento nei progetti amatoriali di elettronica portatile. Nello sviluppo professionale di hardware, invece, rappresenta uno dei primi parametri da definire.

La batteria determina l’involucro meccanico, la strategia di gestione termica e l’intero piano logistico per le spedizioni. Sbagliare questa scelta significa rischiare di ritrovarsi con un dispositivo che si scarica dopo tre ore, prende fuoco all’interno di un magazzino oppure non può essere legalmente spedito tramite trasporto aereo.

Conoscere alla perfezione il proprio profilo energetico

Prima ancora di esaminare le diverse chimiche delle batterie, è necessario avere un quadro estremamente preciso del proprio budget energetico. Un errore comune consiste nel considerare soltanto il picco di assorbimento di corrente. Se il dispositivo utilizza il Wi-Fi o la rete dati cellulare, potrebbe assorbire 300 milliampere durante una trasmissione. Ma quanto dura realmente quella trasmissione?

Ciò che compromette realmente l’autonomia dei dispositivi elettronici portatili è la corrente di quiescenza. Si tratta dell’energia consumata dal circuito quando, teoricamente, dovrebbe trovarsi in stato di sospensione. Un regolatore di tensione con una corrente di dispersione di 50 microampere può scaricare completamente una batteria a bottone nel giro di pochi mesi, anche se il processore principale non si attiva mai.

È necessario mappare la corrente assorbita durante la modalità sleep, quella richiesta durante il funzionamento attivo e i picchi associati alle trasmissioni. Questi valori possono essere inseriti all’interno di un calcolatore online dell’autonomia della batteria per verificare se la durata desiderata sia effettivamente realizzabile dal punto di vista fisico.

In questo modo è possibile ottenere una stima approssimativa prima ancora di iniziare ad acquistare celle di prova ed eseguire test fisici di scarica. Bisogna però tenere presente che questi calcolatori presuppongono condizioni ideali. Non considerano, ad esempio, una batteria rimasta per tre mesi all’interno di un container di spedizione molto caldo prima che il cliente accenda il dispositivo.

È quindi opportuno ridurre sempre di almeno il 20% la capacità calcolata, così da tenere conto dell’autoscarica e delle variazioni della temperatura ambientale.

La chimica determina le regole

Una volta individuato l’obiettivo di capacità espresso in milliampereora, bisogna scegliere la chimica della batteria. Le batterie ai polimeri di litio (LiPo) rappresentano la scelta predefinita per la maggior parte dei moderni dispositivi elettronici di consumo. Offrono un’incredibile densità energetica e possono essere ordinate praticamente in qualsiasi forma rettangolare immaginabile.

Le celle LiPo, tuttavia, richiedono sistemi di gestione della batteria particolarmente rigorosi. Se vengono scaricate eccessivamente, possono danneggiarsi in maniera permanente. Se vengono sovraccaricate, possono gonfiarsi e potenzialmente rilasciare gas tossici.

Se il progetto deve resistere a temperature estreme o a forti sollecitazioni fisiche, le batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4) rappresentano una scelta decisamente migliore. Sono leggermente più pesanti e presentano una tensione nominale inferiore, generalmente di 3,2 V rispetto ai 3,7 V delle normali batterie agli ioni di litio, ma sono estremamente stabili.

Non prendono fuoco facilmente in caso di perforazione e possono durare per migliaia di cicli di ricarica anziché soltanto per alcune centinaia. Queste caratteristiche le rendono ideali per apparecchiature industriali o dispositivi medici nei quali l’affidabilità è più importante della riduzione assoluta del peso.

Non bisogna inoltre ignorare le celle primarie, come le normali batterie alcaline o quelle al litio-cloruro di tionile. Se si sta costruendo un sensore remoto che deve attivarsi soltanto una volta al giorno per trasmettere pochi byte di dati, due normali batterie AA possono tranquillamente garantire un’autonomia di tre anni.

L’utente finale può sostituirle acquistandole praticamente in qualsiasi negozio. In questo modo viene completamente eliminata la necessità di circuiti di ricarica e si evitano gran parte delle severe restrizioni di spedizione associate alle batterie secondarie al litio.

Gli aspetti meccanici legati alle dimensioni della batteria

I modelli CAD mentono. O, più precisamente, sono i progettisti hardware a mentire a se stessi quando osservano modelli 3D perfettamente puliti.

Una batteria potrebbe tecnicamente entrare nell’involucro in plastica visualizzato sullo schermo, ma le batterie reali presentano delle tolleranze di produzione. Le celle pouch si espandono durante i cicli di carica e scarica e tendono a gonfiarsi permanentemente con l’invecchiamento.

Se si progetta un involucro rigido in plastica senza lasciare alcuno spazio attorno a una batteria LiPo, il contenitore potrebbe aprirsi o rompersi dopo un anno dalla commercializzazione del prodotto. È quindi necessario lasciare un adeguato margine di spazio.

Bisogna inoltre considerare il cablaggio e i circuiti di protezione. Quasi tutte le batterie al litio disponibili in commercio presentano una piccola scheda elettronica di protezione avvolta da nastro protettivo nella parte superiore della cella. Questo elemento aggiunge alcuni millimetri alla lunghezza complessiva.

Anche i cavi della batteria, i connettori e i relativi percorsi di instradamento occupano uno spazio fisico. È inoltre necessario prevedere un sistema per fissare la batteria, evitando che possa muoversi all’interno del dispositivo e strappare i propri cavi dalla scheda principale durante un test di caduta.

Il nastro biadesivo in schiuma può funzionare per i primi prototipi. Per la produzione vera e propria, invece, è preferibile utilizzare un alloggiamento meccanico dedicato, una staffa rigida oppure nervature stampate su misura capaci di mantenere saldamente la cella nella posizione corretta.

Certificazioni e problemi della supply chain

È proprio in questa fase che molti progetti hardware finiscono per bloccarsi. Spedire batterie al litio rappresenta un vero e proprio incubo logistico. Se all’interno del prodotto viene integrata una batteria agli ioni di litio, entrano in gioco le normative relative ai test UN38.3.

Ciò significa sottoporre un lotto di batterie a test di simulazione dell’altitudine, cicli termici, vibrazioni, urti meccanici e cortocircuiti. Superare i test UN38.3 non è economico e richiede tempo.

Se si acquista una batteria casuale e priva di certificazione da un marketplace estero, non è possibile spedirla legalmente per via aerea. È quindi sempre opportuno acquistare le batterie da fornitori affidabili, in grado di fornire fin dall’inizio un rapporto di prova valido e verificabile.

Anche i requisiti relativi all’etichettatura sono altrettanto rigorosi. La confezione del prodotto e il dispositivo stesso devono spesso riportare specifiche avvertenze di pericolo e indicazioni relative alla capacità.

Quando si progetta la serigrafia del PCB o lo stampo per la parte posteriore dell’involucro, è quindi necessario includere i simboli obbligatori e i testi di avvertenza previsti.

Alcuni progettisti cercano di essere eccessivamente creativi con la tipografia utilizzata per queste etichette normative. Non serve. Non è necessario utilizzare un generatore di testo in grassetto o font personalizzati per rendere conformi le avvertenze di pericolo. I caratteri standard, a blocchi e altamente leggibili sono esattamente ciò che gli ispettori doganali e i laboratori incaricati dei test di conformità si aspettano di vedere. L’etichettatura deve rimanere puramente funzionale.

Progettare i circuiti di ricarica e protezione

Il modo in cui una persona interagisce concretamente con il dispositivo dovrebbe guidare la progettazione finale del sistema. Se il dispositivo è ricaricabile, bisogna assumersi anche l’onere ingegneristico legato alla progettazione del circuito di ricarica.

È necessario un circuito integrato dedicato al controllo della ricarica, capace di gestire le fasi di carica a corrente costante e a tensione costante. Serve inoltre un chip fuel gauge, in modo che l’utente possa sapere se la batteria dispone del 10% o del 90% di carica residua.

Le semplici tabelle di corrispondenza basate sulla tensione non funzionano particolarmente bene con le batterie al litio, perché la loro curva di scarica è troppo piatta. È necessario utilizzare un circuito integrato basato sul coulomb counting per monitorare accuratamente la capacità.

È inoltre assolutamente necessario applicare un termistore direttamente sulla batteria, in modo da interrompere la corrente di ricarica qualora la cella raggiunga una temperatura eccessiva. Tutti questi elementi aumentano il costo della Bill of Materials (BOM) e occupano spazio prezioso sul PCB.

Se invece la batteria è sostituibile, bisogna progettare uno sportello affidabile. Gli sportelli dei vani batteria sono notoriamente difficili da progettare in maniera efficace. Le linguette di plastica possono rompersi, le molle metalliche perdono tensione con il passare del tempo e gli utenti cercheranno inevitabilmente di inserire le batterie al contrario.

Quando si utilizzano celle sostituibili dall’utente, il circuito deve quindi includere una protezione contro l’inversione di polarità. Un semplice MOSFET a canale P è generalmente in grado di svolgere perfettamente questa funzione senza introdurre la significativa caduta di tensione tipica di un normale diodo.

È necessario considerare la durata prevista del prodotto stesso, confrontarsi fin dalle prime fasi con i partner della supply chain e costruire l’architettura di alimentazione sulla base di vincoli fisici realistici, anziché affidarsi agli scenari più favorevoli.