Tendencias de diseño: baterías para Internet de las Cosas (IoT)

Tim Parker, European Battery Products Manager de Avnet Abacus.

El fenómeno Internet de las Cosas (IoT) está posibilitando la recopilación de datos de nodos sensores en prácticamente cualquier lugar del mundo y permitiendo que los objetos “no electrónicos” tengan la capacidad de comunicar. De esta forma, se abre la puerta a un gran número de aplicaciones para los sistemas electrónicos. Sin embargo, la elección de baterías para proyectos conectados a IoT puede resultar difícil, ya que hay muy diversos modelos para cada tipo de aplicación.

Para el nodo sensor extendido en la “periferia” del sistema IoT, con “cosas” como termostatos, sensores de automatización de edificios e interruptores de luz, hay que responder a las necesidades de un perfil específico de alimentación. La aplicación estará en modo sleep durante la mayor parte del tiempo, “despertando” solamente cuando tiene que efectuar una medición o activar una conexión inalámbrica de baja potencia, como Bluetooth Low Energy (BLE). En modo sleep, el dispositivo consume una mínima cantidad de energía, pero cuando se activa, se requiere una “explosión” de potencia. Estos dispositivos son unidades de bajo consumo porque el periodo de letargo es muy superior al de actividad.
Estos tipos de aplicación suelen usar pilas de botón a la hora de hacer frente a los desafíos de alimentación. Las coin cells pueden tener químicos alcalinos, con una tensión de celda de 1.5 V, que cae a 0.9 V cuando se descarga.

Aquellas aplicaciones que demandan tensiones superiores pueden emplear baterías planas de ion-litio, que también están ampliamente disponibles. Estas pilas ofrecen 3 V cuando se encuentran totalmente cargadas, cayendo a 2.2 V al descargarse.

Existen muchas variantes de ion-litio, lo que ayuda a maximizar las propiedades. Por ejemplo, el tipo BR aumenta la capacidad – así las baterías BR de Panasonic proporcionan capacidades de hasta 500 mAh (BR3032). Por el otro lado, el tipo CR minimiza la impedancia interna, lo que implica que puede suministrar corrientes de mayor pulso.

En la periferia del Internet de las Cosas también se encuentran accesorios wearables con perfiles de alimentación similares, como monitores de ritmo cardiaco que se comunican con relojes deportivos y Smartphones. Algunos dispositivos wearables son capaces de acumular energía con el movimiento del usuario, por lo que se pueden usar para alimentar la electrónica que incorporan. Sin embargo, esta energía es una fuente impredecible y no suele coincidir con los periodos activos. Por esto, muchos dispositivos de acumulación de energía necesitan una batería recargable que se recarga en el subsistema de acumulación. Así, la alimentación se puede utilizar cómo y cuándo se requiera.

Las pilas de botón recargables están disponibles con elevadas densidades. Por ejemplo, la serie Coin Power de Varta ofrece baterías de 3.7 V, con una altura de 5.4 mm y un diámetro de 12.1 mm, para la capacidad de 50 mAh, y diámetro de 16.1 mm para 100 mAh. Estos modelos, también conocidos como button cells, tienen baja impedancia interna y corrientes de descarga de hasta 5C (esto es, 250 o 500 mA, respectivamente).

Más allá de las coin cells, otros formatos de baterías pequeñas y ligeras para dispositivos wearables incluyen una batería recargable de tipo pin, como las de Panasonic, dirigida a aplicaciones delgadas como monturas de gafas y bolígrafos. Esta batería de 3.75 V mide 3.5 mm (diámetro) por 20 mm y pesa 0.6 gramos.

Temperaturas industriales
Aparte de la electrónica de consumo, el Internet de las Cosas también se dirige al sector de la automoción y a entornos industriales. En particular, para tareas de control de procesos industriales, la instalación de sensores inalámbricos para comunicar con un sistema central que gestiona la factoría representa una buena opción para que las redes de sensores Industry 4.0 puedan beneficiarse de la acumulación de energía, quizá del calor del propio proceso o del movimiento de un brazo robot, pero todavía siguen necesitando baterías.
Aunque el perfil de potencia puede ser similar al de dispositivos de consumo, las baterías para estas aplicaciones deben resistir ambientes más adversos y mantener la fiabilidad. La presencia de cubiertas y sellados especiales ayuda a evitar el ingreso de polvo, humedad y agentes químicos. Lo que resulta más complicado es resistir las temperaturas extremas (altas y bajas) que pueden afectar a la química de la batería.

Para ambientes como estos, Tadiran ha desarrollado formatos AA y AAA que se pueden cargar con una temperatura de -40 a +85 °C, una mejora considerable respecto a baterías recargables de ion-litio que operan de 0 a +60 °C. Este tipo de batería, actualmente, es un condensador de capa híbrido (HLC) que puede producir los pulsos de corriente necesarios para comunicación inalámbrica (hasta 5 A). También ofrecen una baja ratio de auto-descarga por debajo del 5 por ciento anual, y se espera que duren más de 10 años en la aplicación.

Por último, la elección de una batería para cualquier aplicación en proyectos IoT dependerá de su perfil de alimentación, junto a los factores ambientales como la temperatura.

Si está interesado en obtener mayor información, le recomiendo que contacte con su especialista local o visite el apartado “Pregunte al Experto” del blog de Avnet Abacus.