Motores de acionamento na bateria

Muitos sistemas alimentados por bateria e aplicativos de Internet das Coisas (IoT) – como medidores inteligentes, produtos de saneamento inteligentes, campainhas de vídeo, brinquedos robóticos, produtos de higiene pessoal e fechaduras eletrônicas – contêm um motor, solenóide ou relé. A interação entre a bateria e a física do motor produz alguns desafios de projeto interessantes, como operar o sistema de forma confiável à medida que a voltagem da bateria muda, minimizar a energia de espera para aumentar a vida útil do sistema e fornecer grandes correntes ao motor durante a partida e a parada.

Neste artigo, darei algumas dicas para ajudar a superar esses desafios de design.

A faixa de tensão da bateria disponível para o acionador do motor depende da química da bateria, profundidade de descarga, temperatura, corrente de carga e número de células da bateria conectadas em série ou paralelo. Embora a modelagem de bateria seja uma ciência complexa, vamos começar com um modelo de bateria simples usando a tensão de circuito aberto (VOCV), a resistência interna da bateria (RBAT) e a tensão do terminal da bateria (VBAT), conforme mostrado na Figura 1.

A Tabela 1 mostra alguns exemplos de faixas de tensão de bateria para várias composições químicas de bateria.

1,7 V/célula

total de 3,4 V

0,8 V/célula

total de 1,6 V

100-250 mΩ/célula

200-500 mΩ total

1,55 V/célula

total de 4,65 V

0,8 V/célula

total de 2,4 V

135 mΩ/célula (média)

405 mΩ total (média)

1,5 V/célula

6 V/célula

0,8 V/célula

total de 3,2 V

150-300 mΩ/célula (fresco)

600-1200 mΩ total (fresco)

4,2 V/célula

total de 8,4 V

2,75 V/célula

total de 5,5 V

160 mΩ/célula

total de 320 mΩ

RBAT e VOCV são os principais contribuintes para a mudança do VBAT durante a vida útil da bateria. À medida que a carga da bateria se esgota, o VOCV diminui e o RBAT aumenta. À medida que a carga extrai corrente da bateria (IBAT), o VBAT diminui devido à queda de tensão no RBAT.

A Figura 2 mostra a relação entre VOCV, RBAT e IBAT ao longo da vida útil da bateria.

A profundidade de descarga (DoD) representa a duração da bateria como uma porcentagem em relação à capacidade total de carga da bateria, dada em miliamperes-hora (mAh). Um DoD 100% representa uma bateria totalmente descarregada.

Como o VBAT muda com DoD e IBAT, a classificação do trilho de alimentação para um driver de motor deve acomodar uma faixa de possíveis tensões de bateria. Por exemplo, muitos acionadores de motor projetados para sistemas de 24 V têm um trilho de alimentação mínimo de 4,5 V. Com quatro baterias alcalinas conectadas em série, um acionador de motor com uma classificação de alimentação mínima de 4,5 V pode se desativar usando bloqueio de subtensão antes que as baterias totalmente ralo.

O DRV8210 e o DRV8212 da Texas Instruments (TI) são exemplos de drivers de motor projetados para aplicações alimentadas por bateria com uma classificação de alimentação de 1,65 V a 11 V. Isso acomoda a tensão máxima para uma pilha de bateria de lítio de duas células (8,4 V) ou uma bateria alcalina de duas células quase descarregada (1,65 V).

Os sistemas alimentados por bateria passam a maior parte de suas vidas operacionais em um estado de espera. Por exemplo, os consumidores podem operar persianas motorizadas apenas duas vezes por dia, ou trancar e destrancar uma fechadura eletrônica até 20 vezes por dia. A válvula em um medidor de gás ou medidor de água só pode atuar uma vez por ano. A corrente de espera do sistema geral deve ser baixa para alcançar uma longa vida útil da bateria nesses sistemas.

Adicionar interruptores de carga nos trilhos de alimentação de dispositivos periféricos no sistema é uma maneira de manter a corrente de espera baixa. Outra maneira é usar dispositivos com baixas correntes de espera otimizadas para aplicações de bateria. O DRV8210 e o DRV8212 têm correntes de hibernação <84,5 nA para ajudar a reduzir o consumo de corrente de espera do sistema. Outras maneiras de reduzir a corrente de espera do sistema são eliminar os divisores do resistor e definir os pinos lógicos do dispositivo com resistores suspensos em 0 V quando não estiver em operação.

Grandes correntes de motores criam dois problemas em sistemas de bateria: elas usam energia de forma improdutiva e podem fazer com que o sistema entre prematuramente em uma condição de bloqueio de bateria fraca devido à queda de tensão no RBAT. Existem duas causas principais de grandes correntes do motor: corrente de irrupção durante a partida do motor e corrente de parada. A Figura 3 mostra um exemplo dessas correntes.