Pourquoi les piles dans l'électronique grand public sont-elles utilisées de manière inégale?

Lors du remplacement des piles de jouets pour enfants, de télécommandes, etc., je teste les piles et constate qu'elles se déchargent différemment. L'un sera mort et l'autre est toujours dans le vert.

Pourquoi cela arrive-t-il? Aussi, à cet extrême, pourquoi ne pas avoir une seule batterie?

Ils sont généralement AA et peuvent être ceux avec le produit ou rechargeables.

Aussi, pourquoi l'appareil s'arrête-t-il et ne commence-t-il pas à utiliser la bonne batterie?

Il y aura toujours une certaine variation de capacité entre les batteries. Dans l'utilisation de jouets, le courant est généralement tiré à un niveau élevé par rapport à de nombreuses autres applications, de sorte que la résistance interne des batteries est très importante.

Dans ce service, la tension sous charge chute assez rapidement à l'approche de la fin de vie, donc avec des différences de capacité mineures, les cellules peuvent avoir des tensions assez différentes.

Cependant, celles qui semblent bonnes sont également très proches de leur fin de vie, à moins que les cellules n'aient pas toutes été remplacées en même temps par des cellules également fraîches. Le décalage de quantité entre le conditionnement et l'utilisation (cellules conditionnées en 4 et utilisées en 3 par exemple) peut contribuer à un décalage de capacité.

Dans les graphiques ci-dessus pour une cellule Panasonic AA, vous pouvez voir que la tension chute sur une période de quelques heures de 1 V à 0,8 V. Une radio dure environ 130 heures et le déclin est beaucoup plus doux. Une fois que la tension descend en dessous de la fin de vie de 800 mV, elle chute rapidement à une tension beaucoup plus basse et peut même s'inverser (sous charge, ou même après que la charge est retirée) en raison du grand courant inverse fourni par les autres cellules du jouet. type de service.

Les testeurs de batterie fonctionnent généralement en appliquant une charge à la batterie et en mesurant la tension. La charge appliquée est nécessairement un compromis entre les exigences d'applications disparates.

Si votre testeur de batterie consomme un courant relativement faible, il peut toujours penser que les cellules qui sont presque épuisées sont bien (et elles sont bien, dans une radio!), Mais il ne peut pas confondre les cellules qui ont été chargées à mort à l'envers. C'est une raison pour laquelle certains testeurs de batterie ont un choix de courants pour tester - à un courant plus élevé, les cellules apparemment «vertes» seraient probablement bien dans la gamme orange.

Dans un jouet typique, les batteries sont simplement connectées en série et le jouet nécessite une certaine tension totale à un courant relativement élevé pour fonctionner. La chaîne de batteries en série n'est aussi solide que son maillon le plus faible, donc si une batterie est très morte, les moteurs, etc. ne recevront pas assez de tension pour fonctionner.

Les jouets sont souvent fournis avec les cellules de batterie les moins chères qui peuvent être de capacité inférieure, mais qui ont également la tolérance la plus large. Cette tolérance et la «cellule la plus faible échoue en premier» est la règle générale.

Pour comprendre cela, modélisez chaque batterie comme un condensateur chargé, disons 1000 farads +/- 20%. Ensuite, mettez-les en série avec la même tension initiale et chargez-les, disons 100 ohms, et simulez ou calculez la fin de charge en utilisant les tolérances du pire des cas, disons trois cellules +20, 0 et -20%.

Alors vous comprendrez. Le lithium polymère et les batteries de voiture, quant à eux, commencent à 0,1% puis vieillissent vers 10% avant la mort des cellules individuelles à une tolérance de plus de -90% de la charge initiale.

L'ESR augmente et C baisse rapidement les valeurs vers la fin de la charge.

Si vous analysez cela, alors vous comprendrez.

J'ai retiré la valeur C de l'air pour une compréhension simple, mais cela dépend de la valeur horaire mAh. I _c = C * dV / dt où dV est généralement de 1,6 à 1 V = 0,6 V selon la chimie, mais la valeur nominale en mAh est I * dt = C * dV, donc 50 mAh = 50 mA * 3,6 ks lorsqu'elle est évaluée pendant une certaine période comme 1 C = 20 h, mais toutes les batteries ont également une valeur ESR, où une large tolérance s'applique et l'ESR chute généralement avec une cote RISING mAh qui change à la fois avec un faible SoC et un long âge.

La règle d'or est que l'ESR est parfois liée à Ah, MAIS pas un moyen.

En fin de compte, la RÉPONSE à votre question est la cellule de la batterie avec la valeur C [F] la plus faible. Lorsqu'elle est en série, si elle est maintenue, elle sera également chargée à l'envers. question suivante s'il vous plaît ...

OK voici une comparaison des capacités des piles AA.

La note au-dessus de la «norme DURACELL» est de 2000 mAh ou 2 Ah ou 7200 A-secondes

• EE sagesse commune:

  • $f_{-3dB}=\dfrac{0.35}{t_R}$
  • RC = T ou L / R = T est défini comme un temps asymptotique,
    • pour T = désintégration RC de 1 à 1 / e * 100% ~ 37% ou 0 à ~ 63%

• mais les informations de marketing de la batterie utilisent parfois une capacité Ah en utilisant 100% SoC à 0%, il existe donc des différences dans les normes de temps de mesure.

Cependant, dans les deux cas, l'énergie stockée est E = ½CV² mais dans le cas d'une batterie, je recommande E = ½C (Vi²-Vf²) comme Vbat de l'initiale, Vi à 100% Soc au Vf final mais plutôt 10% SoC pour éviter une décharge profonde vieillissement rapide.

Chaque tension est très dépendante de la température de la cellule; mais si je me souviens bien;

si vous mettez une légère charge pour supprimer la mémoire à court terme, la mesure Vbat (100%)

• Lipo ΔV = 0,7 de 3,6 à 3,0 V
• Plomb acide = 12,5 à 11,5 V
• Alcaline = 1,5 V à 1 V

En plus des notes sur les tolérances de fabrication de la batterie, j'ai vu (au moins un) appareil qui séparerait les connexions électriques de la batterie aux différentes parties du circuit.

Dans mon cas, c'était un réveil bon marché avec 3 piles AAA, 2 étaient en série pour faire fonctionner l'électronique, puis un troisième était en série avec les deux premiers pour faire fonctionner la LED / alarme.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Je ne pense pas que ce soit courant, mais c'est une autre explication possible.

re: Pourquoi les piles dans l'électronique grand public sont-elles utilisées de manière inégale?

1. La mauvaise qualité des cellules et / ou les cellules provenaient de différents lots. Cela peut entraîner des temps de décharge / charge différents. Les appareils (jouets) nécessitent généralement un certain minimum de V & A pour fonctionner correctement. Une fois que la ou les cellules les plus faibles ne parviennent pas à fournir leur part du V&A nécessaire pour faire fonctionner l'appareil, alors l'appareil commencera à ne pas fonctionner correctement ou à s'arrêter tous ensemble. En fonction de l'intelligence de votre chargeur et testeur, à mesure que les cellules vieillissent, cette différence peut devenir amplifiée au point que lorsque vous mesurez les cellules, vous trouvez qu'une cellule semble `` verte '' sur votre testeur tandis que l'autre cellule semble morte ou presque morte .

2. Les utilisateurs mélangent et assortissent souvent les cellules dans leurs chargeurs et dans leurs appareils - souvent en mélangeant des cellules rechargeables plus anciennes avec des cellules plus récentes - et parfois même en mélangeant des cellules rechargeables avec des cellules primaires (jetables). À mesure que les piles rechargeables vieillissent, elles ont tendance à perdre leur capacité de charge et elles ont tendance à avoir des profils de décharge / charge différents (par rapport aux nouvelles piles). Selon le chargeur utilisé, cela pourrait signifier qu'un utilisateur utilise plusieurs cellules avec des charges différentes dans son appareil - ce qui, bien sûr, ne fera fonctionner l'appareil que tant que la cellule la plus faible sera en mesure de fournir une puissance suffisante (ce qui est généralement un temps beaucoup plus court que les cellules plus récentes et de plus grande capacité fourniraient de l'énergie à un appareil).

re: ... pourquoi ne pas avoir une seule batterie? "

Une batterie est un ensemble de cellules. Une cellule plus grande pourrait bien sûr être fabriquée pour votre application spécifique; cependant, cette cellule serait probablement moins utile pour construire des batteries pour d'autres applications par rapport aux conceptions de cellules actuelles.

re: "pourquoi l'appareil s'arrête et ne commence pas à utiliser la bonne batterie?"

Parfois (en fonction de la connectivité des cellules) l'énergie d'une bonne cellule peut empêcher un appareil de fonctionner comme les autres cellules les plus faibles de Peter. D'autres fois, cela n'est pas possible car la capacité de sortie de puissance (VA) de la batterie a diminué en dessous du seuil minimum requis pour faire fonctionner l'appareil.

Il a été suggéré qu'une batterie ne peut pas être modélisée comme un condensateur car vous ne pouvez pas résonner avec un étranglement (aka réacteur).

Ceci est faux et prouve seulement que le Q est trop faible pour résonner et n'est pas une exigence pour être un condensateur (avec une tension de jonction de décalage chimique comme une diode qui doit être correctement polarisée)

Nous savons que pour un circuit de réservoir en série, le rapport réactance / résistance = Q doit être> 1 pour résonner et >> 1 pendant longtemps, où Q = 0,7 est défini comme un amortissement critique.

Je peux dire en toute sécurité, les batteries sont des condensateurs ultra-faibles (pauvres) à faible Q sur-amortis.

preuve

Utilisation d'un seul modèle C pour une batterie (approximation du 1er ordre)

Q = | Xc (ω) | / ESR = $\dfrac{1}{ESR*2\pi fC}~~~Q=\dfrac{0.16T_r}{T} \text{ for T=ESR*C} ~~$

$~ T_o=\frac{1}{f_o} \text{ res. freq. e.g. ~LiPo: T=100kF*5mΩ=500s {min.theoretical drain time}}$

• mais NE court-circuitez JAMAIS un LiPo non fusionné, car la montée en chaleur le fera exploser.

Pour Q >> 1 ou 0.16Tr / 500> 1 donc période de cycle Tr >> 3125 s ou >> 52 minutes

Choisissez ensuite un starter similaire ou meilleur Q >> 1 L / R >> egeg 52 minutes >> 100H / 30mΩ

C'est pourquoi il n'est pas possible de fabriquer un oscillateur LC à partir d'une batterie.

Certains transformateurs comme ci-dessous ont un Q proche mais <1 avec des constantes de temps longues.

BTW pour le plaisir, j'ai appliqué une cellule 18650 LiPo à travers les enroulements primaires d'un transformateur comme ci-dessus dans une usine et comme prévu, V = LdI / dt était une rampe lente suramortie jusqu'à saturation. Quel réservoir!

La réalité est que les batteries sont d'énormes SuperCaps avec des dizaines de milliers de Farads mais des constantes de temps très longues et donc un faible Q.

Mais pour répondre à votre question.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Pour répondre à votre dernière question:

Si un appareil fonctionne avec 2 piles AA, celles-ci sont généralement connectées en série, ce qui signifie que les tensions s'additionnent pour devenir la tension de fonctionnement. Dans ce cas, 2 * 1,5 V = 3 V. L'appareil ne peut fonctionner que jusqu'à un certain seuil, qui diffère d'un appareil à l'autre. Disons que l'appareil est conçu pour 3V et peut fonctionner avec des tensions supérieures à 2V. Dans ce cas, l'une des batteries peut toujours avoir une charge presque complète (disons 1,4 V), mais l'autre est complètement déchargée à 0,2 V. Cela équivaut à une tension série combinée de seulement 1,6 V qui n'alimentera plus l'appareil.

Chaque batterie a un cycle de charge ou de décharge différent. Même la batterie la plus souper et la plus coûteuse a des batteries différentes indépendamment du même lot ou du même modèle et fabriquées par la même entreprise.

Vous pourriez trouver ce phénomène non seulement dans une batterie de jouet moins chère qui vient normalement avec des paires, mais une source différente. Mon expérience personnelle montre que l'utilisation de batteries de qualité industrielle sur un réseau de télécommunications se dégrade également différemment au sein d'un même groupe de batteries.

Comme je l'ai mentionné précédemment, même avec le même modèle et le même modèle d'utilisation, chaque batterie se comporte différemment au niveau atomique lors du cycle de charge ou de décharge. Il y a aussi l'influence de l'environnement environnant de la batterie (la batterie du milieu sur le banc de batterie a une exposition à une température plus élevée) crée une performance et une espérance de vie inégales.

Ce n'est donc pas un cas aléatoire, mais la plupart du temps, ils présentent des performances différentes, même en agissant ensemble ...