Azionamento dei motori in batteria

Molti sistemi alimentati a batteria e applicazioni Internet of Things (IoT), come contatori intelligenti, prodotti igienico-sanitari intelligenti, campanelli video, giocattoli robotici, prodotti per l’igiene personale e serrature elettroniche, contengono un motore, un solenoide o un relè. L'interazione tra la batteria e la fisica del motore produce alcune interessanti sfide progettuali, come il funzionamento affidabile del sistema al variare della tensione della batteria, la riduzione al minimo della potenza in standby per aumentare la durata del sistema e la fornitura di grandi correnti al motore durante l'avvio e lo stallo.

In questo articolo offrirò alcuni suggerimenti per superare queste sfide di progettazione.

L'intervallo di tensione della batteria disponibile per il driver del motore dipende dalla composizione chimica della batteria, dalla profondità di scarica, dalla temperatura, dalla corrente di carico e dal numero di celle della batteria collegate in serie o in parallelo. Sebbene la modellazione delle batterie sia una scienza complessa, iniziamo con un semplice modello di batteria utilizzando la tensione a circuito aperto (VOCV), la resistenza interna della batteria (RBAT) e la tensione ai terminali della batteria (VBAT), come mostrato nella Figura 1.

La tabella 1 mostra alcuni esempi di intervalli di tensione della batteria per vari prodotti chimici delle batterie.

1,7 V/cella

3,4 V totali

0,8 V/cella

1,6 V totale

100-250 mΩ/cella

200-500 mΩ totali

1,55 V/cella

4,65 V totali

0,8 V/cella

2,4 V totali

135 mΩ/cella (media)

405 mΩ totali (media)

1,5 V/cella

6 V/cella

0,8 V/cella

3,2 V totali

150-300 mΩ/cella (fresco)

600-1200 mΩ totali (fresco)

4,2 V/cella

8,4 V totali

2,75 V/cella

5,5 V totali

160 mΩ/cella

320 mΩ totali

RBAT e VOCV contribuiscono in modo determinante al cambiamento del VBAT nel corso della durata della batteria. Man mano che la carica della batteria si esaurisce, il VOCV diminuisce e l’RBAT aumenta. Poiché il carico assorbe corrente dalla batteria (IBAT), VBAT diminuisce a causa della caduta di tensione su RBAT.

La Figura 2 mostra la relazione tra VOCV, RBAT e IBAT durante la durata della batteria.

La profondità di scarica (DoD) rappresenta la durata della batteria come percentuale rispetto alla capacità di carica completa della batteria espressa in milliampere-ora (mAh). Un DoD del 100% rappresenta una batteria completamente scarica.

Poiché VBAT cambia con DoD e IBAT, la classificazione della linea di alimentazione per un driver del motore deve adattarsi a una gamma di possibili tensioni della batteria. Ad esempio, molti driver del motore progettati per sistemi a 24 V hanno una linea di alimentazione minima di 4,5 V. Con quattro batterie alcaline collegate in serie, un driver del motore con un valore nominale di alimentazione minimo di 4,5 V può disattivarsi utilizzando il blocco di sottotensione prima che le batterie siano completamente drenare.

DRV8210 e DRV8212 di Texas Instruments (TI) sono esempi di driver per motori progettati per applicazioni alimentate a batteria con una tensione di alimentazione compresa tra 1,65 V e 11 V. Questa supporta la tensione massima per uno stack di batterie al litio a due celle (8,4 V) o una batteria alcalina a due celle (1,65 V) quasi scarica.

I sistemi alimentati a batteria trascorrono la maggior parte della loro vita operativa in uno stato di standby. Ad esempio, i consumatori possono azionare le tapparelle motorizzate solo due volte al giorno, oppure aprire e chiudere una serratura elettronica fino a 20 volte al giorno. La valvola di un contatore del gas o di un contatore dell'acqua può essere azionata solo una volta all'anno. La corrente di standby dell'intero sistema deve essere bassa per ottenere una lunga durata della batteria in questi sistemi.

L'aggiunta di interruttori di carico sulle linee di alimentazione dei dispositivi periferici nel sistema è un modo per mantenere bassa la corrente di standby. Un altro modo è utilizzare dispositivi con basse correnti di standby ottimizzati per applicazioni a batteria. DRV8210 e DRV8212 hanno correnti di sospensione <84,5 nA per contribuire a ridurre il consumo di corrente in standby del sistema. Altri modi per ridurre la corrente di standby del sistema consistono nell'eliminare i divisori resistivi e nell'impostare i pin logici del dispositivo con resistori pulldown a 0 V quando non è in funzione.

Le grandi correnti provenienti dai motori creano due problemi nei sistemi a batteria: utilizzano l'energia in modo improduttivo e possono far sì che il sistema entri prematuramente in una condizione di blocco di batteria scarica a causa della caduta di tensione attraverso RBAT. Esistono due cause principali di correnti elevate nel motore: corrente di spunto durante l'avvio del motore e corrente di stallo. La Figura 3 mostra un esempio di queste correnti.