Batterie per cellulari

 

Batterie: altre informazioni estrapolate da riviste di elettronica

Rivista di Elettronica gennaio 1996

Introduzione.
Nonostante la considerevole varietà di applicazioni delle batterie, nel mercato delle "alimentazioni indipendenti dalla rete", le pile a secco (cioé quelle "usa e getta") hanno tuttora una diffusione più ampia rispetto ai tipi ricaricabili. Purtroppo, nel frattempo, alcuni termini di base hanno scambiato il loro significato. In generale viene definita "batteria" una sorgente di energia formata da una o più pile (o elementi) che possono essere di tipo primario o secondario. Per convenzione, tuttavia, si utilizzano i termini "batteria primaria" e "batteria secondaria". Nonostante qualcuno affermi il contrario, le batterie primarie non sono ricaricabili: si possono cioé utilizzare una volta sola. Le batterie secondarie sono invece ricaricabili e presentano l'ulteriore vantaggio di poter essere riciclate con sistemi molto efficienti e rispettosi dell'ambiente. Questo risulta in netto contrasto con le batterie primarie, che richiedono molta più energia e materia prima per essere prodotte e devono essere eliminate separatamente come rifiuti chimici, in quanto un sistema di riciclaggio normalizzato (ma piuttosto costoso) non é stato finora accettato.

Batterie ricaricabili e non.
Nonostante gli innegabili vantaggi delle batterie secondarie nei riguardi di consumo di materia prima e della sicurezza dei sistemi di scarto/riciclaggio, sussistono ancora buone ragioni per utilizzare le "pile a secco" in certe applicazioni.

Tipo di elemento           Pila alcalino-manganese         Batteria al NiCd
Mignon                        1500-2000                       500-1100
Baby                          5000-6000                       1200-2500
Mono                          10000-12000                     2200-5000
PP3/6F22/1604                 400-600                         70-120

                          Tabella 1: Capacità (mAh)

La tabella 1 mostra i vantaggi relativi alle batterie alcalino-manganese: hanno una capacità molto maggiore rispetto alle loro controparti ricaricabili NiCd. Per raggiungere quasi la stessa durata utile di un tipo alcalino-manganese, una batteria secondaria dovrà essere caricata due o tre volte. Di conseguenza, quando si devono affrontare lunghi periodi di utilizzo senza ricarica, la pila primaria alcalina ha la prevalenza. Questo é importante soprattutto con apparecchi a basso assorbimento di corrente o che si usano solo per breve tempo, con lunghi periodi di intervallo. In tali casi, le batterie ricaricabili risultano meno economiche e devono comunque essere ricaricate dopo pochi mesi per compensare le perdite di energia causate dal fenomeno di autoscarica. Nelle stesse circostanze, le pile alcaline durano sicuramente un paio d'anni.

Esempi tipici di questi utilizzi a lungo termine sono: telecomandi a raggi infrarossi, campanelli elettronici, bilance digitali, calcolatrici LCD da tasca o da tavolo e così via. Le batterie ricaricabili costituiscono invece la scelta migliore con apparecchi che assorbono una corrente relativamente elevata: non solo sono più economiche e rispettose dell'ambiente, ma durano anche più a lungo di una batteria non ricaricabile. A causa della più elevata resistenza interna, la tensione erogata da un elemento alcalino scende molto più velocemente. La tensione di uscita di una batteria NiCd rimane praticamente stabile durante l'intero periodo di scarica, persino con correnti relativamente elevate. Il comportamento elettrico delle normali batterie zinco-carbone con elevate correnti di carico é ancora peggiore, specialmente se il funzionamento é continuativo. In tali casi vale veramente la pena di sostituirle con batterie NiCd che durano più a lungo. Per un confronto di costi tra batterie alcalino-manganese ed elementi NiCd basta tener presente che un singolo elemento NiCd, con "vita utile" di circa 1000 cicli di carica, sostituisce circa 330 pile alcaline dalle medesime dimensioni fisiche. Supponendo che una radio sia alimentata da 4 elementi, facendo a meno delle normali pile a secco, si risparmierà una piccola fortuna, anche se si utilizzano i più costosi fra gli elementi ricaricabili, più un caricabatterie "di lusso".

NiCd e NiMH.
La costruzione di un elemento NiMH (nickel-idruro metallico) é molto simile a quella degli elementi NiCd (più precisamente: elementi con un sistema nickel-cadmio ad elettrolita alcalino). La differenza fondamentale sta nella struttura dell'elettrodo negativo. Il cadmio metallico (in condizioni di carica) é sostituito da una lega metallica in grado di assorbire grandi quantità di idrogeno, senza aumentare la pressione. Mentre i processi chimici all'elettrodo positivo sono gli stessi per entrambi i tipi di batterie, con l'elettrodo negativo le cose cambiano.

In una batteria NiMH gli atomi di idrogeno si accumulano in una rete metallica dove, durante la carica, si produce idruro metallico. Gli atomi viaggiano nuovamente fuori dalla rete durante la scarica, lasciando come prodotto la sola lega metallica di base.

Negli elementi NiCd il cadmio viene invece trasformato in idrossido di cadmio durante la scarica. In entrambi i tipi di batterie, un elettrodo negativo "sovradimensionato" (rispetto all'elettrodo positivo) evita i danni all'elemento in caso di scarica totale o di sovraccarico. Nello scorso anno (1995), gli elementi NiCd si sono attribuiti circa il 70% del mercato totale delle batterie secondarie, corrispondente ad un volume produttivo di oltre 1 miliardo di esemplari l'anno. Sempre le 1993, la quota di mercato degli elementi NiMH é stata circa il 5% ma, stando alle previsioni, dovrebbe salire oltre il 40% nei prossimi cinque anni. Questo fiducioso pronostico poggia su alcuni vantaggi basilari di queste batterie:
a) non contengo metalli pesanti (niente cadmio, piombo o argento);
b) relativamente alta densità energetica (fino a 1,2 Ah per pile mignon HP7/UM3);
c) ridotto effetto "memoria".

Caratteristiche                        Piombo    NiCd    NiMH    Li-Ion
Densità energetica                       -         -       ++      ++
Comportamento ciclico                    -        ++       ++      ++
Autoscarica                              +         +        +      ++
Carica rapida                            -        ++        +       -
Carica a corrente elevata                +        ++        +       -
Affidabilità                            ++         +        +       -
Costo                                   ++         +        -       -
Compatibilità in tensione                -        ++       ++      --
Rispetto dell'ambiente                   -        --       ++       +
Stabilità della tensione di scarica      -        ++       ++       -

Leggenda: ++ eccellente;  + buono;  - adatta a molte applicazioni;
          -- notevoli svantaggi.

                             Tabella 2

La Tabella 2 dimostra che gli elementi NiMH hanno alcune caratteristiche distintive che danno loro la prevalenza sugli altri sistemi, a prescindere però dal fattore costo: le leghe metalliche ad assorbimento di idrogeno sono infatti più costose del cadmio. In ogni modo, una volta avviata la produzione di massa, gli elementi NiMH dovrebbero calare di prezzo. La proliferazione degli elementi NiMH é avvantaggiata dal fatto che le loro caratteristiche sono molto simili a quelle degli elementi NiCd: durata utile presunta da 500 a 100 cicli di carica; tensione di scarica di 1,2V, con una curva praticamente piatta; tensione dell'elemento che aumenta fino a 1,55V durante la carica; corrente di carica normale pari a un decimo della capacità nominale, per una carica di 12-14 ore; possibilità di proseguire la carica per 100 ore alla corrente nominale di carica. Per quanto riguarda la tensione, questo significa che si può tranquillamente sostituire un elemento NiCd con uno NiMH.

La curva di scarica di un elemento NiMH é quasi identica a quella di un elemento NiCd, ma la sua capacità é quasi doppia, per i tipi mignon. Interessante notare che questo confronto fra pile mignon non é neanche il più convincente, se si considerano le prestazioni degli ultimi modelli NiCd ad alta capacità delle stesse dimensioni. Alle correnti più elevate, però, le batterie NiCd sono superiori alle NiMH, la cui capacità scende più rapidamente. La scarica a corrente elevata con più di 3C A é impossibile con una batteria NiMH mentre gli elementi NiCd non presentano problemi persino con correnti ancora maggiori. Mentre le caratteristiche di scarica delle batterie NiCd e NiMH sono praticamente le stesse, ai valori di carica bassi e medi, ci sono considerevoli differenze nelle caratteristiche di tensione durante la carica. La tensione di carica di un elemento NiMH é generalmente poco più bassa rispetto ad un elemento NiCd. Il picco di tensione al termine di un periodo di carica ad elevata corrente é meno marcato con gli elementi NiCd rispetto a quelli NiMH.

Poiché il picco quasi scompare di fronte a basse correnti di carica come pure a temperature più elevate, non é attuabile lo spegnimento automatico secondo il sistema delta-U.

Tecniche di carica.
L'operazione di ricarica standard per elementi NiCd e NiMH avviene con corrente costante di 0,1C; é ammesso anche un periodo di carica "lungo" fino a 100 ore (ma solo con corrente 0,1C). é tuttavia consigliabile rimanere sul sicuro e interrompere la carica, con l'aiuto di un temporizzatore, quando si raggiunge il 150-160% della capacità nominale (il 140% per gli elementi NiCd). I corrispondenti periodi di carica vanno allora da 15 a 16 ore ( 14 ore per NiCd). L'operazione di carica standard é ammessa soltanto a temperature tra 0°C e +45°C; a temperature inferiori, la corrente di carica deve diminuire a 0,05C A (t <0°c) per batterie NiCd e 0,03C A per batterie NiMH. La carica a correnti maggiori di 0,1C A (carica "rapida") é ammessa soltanto a temperature ambiente, se la batteria non risulta sovraccaricata con questa corrente. Quanto meno spesso una batteria viene sovraccaricata, tanto più lunga sarà la sua durata: il concetto vale per entrambi i sistemi. Per evitare un eccesso di carica, bisogna effettuare una prescarica per accertarsi di non assoggettare a carica "rapida" batterie solo parzialmente scariche. é sufficiente limitare il tempo di carica con un temporizzatore: alla stessa corrente di carica, non si dovrebbero superare 5 ore (0,3C A) per elementi NiMH, oppure 4 ore per elementi NiCd. Ci vuole, inoltre, un sensore di temperatura che stacchi il caricatore a +45°C (massimo 50°C) per batterie NiCd e +55°C (massimo 60°C) per batterie NiMH. La carica a 0,3C A non dovrebbe avvenire con temperature minori di +10°C e maggiori di 45°C. Per le batterie NiMH sono ammesse cariche ancora più rapide, usando correnti tra 0,5C A e un massimo di 1C A. Anche in questo caso é bene non fidarsi soltanto del temporizzatore, anche quando si ritiene che la batteria sia del tutto scarica.

Raccomandiamo di usare un chip caricabatteria che utilizzi due condizioni di interruzione: 1) diminuzione della tensione di carica dopo aver raggiunto il massimo (meno delta U); 2) tasso di aumento della temperatura di batteria in rapporto ai livelli minimo e massimo. Si deve inoltre installare un temporizzatore per limitare il tempo di carica. Per poter riconoscere il fattore delta-U é indispensabile che la tensione di batteria venga misurata a intervalli regolari (interrompendo brevemente la corrente di carica). Al termine del periodo di carica rapida, il caricatore dovrà commutare alla carica di mantenimento con corrente da 0,03 a 0,05C A.

Batterie NiMH. Per le batterie NiMH sono raccomandabili le seguenti condizioni di esclusione: esclusione termica a temperature <10°c e>60°C; esclusione a meno delta-U con un tasso di diminuzione della tensione <10mv per elemento (NiCd 10-20mV per elemento); esclusione quando il tasso di aumento della temperatura si abbassa con velocità maggiore di 1°C per minuto (NiCd: 0,5°C per minuto). Un caricabatterie progettato sulla base dei suddetti principi, può essere usato per batterie NiMH e NiCd. Con le attuali batterie NiMH non é permessa la carica ultrarapida. Viceversa, tutti gli elementi rotondi NiCd sono adatti alla carica impulsiva con correnti da 4C A a 6C A, applicando per esempio da 4 a 6 A alla capacità di 1Ah.

I Caricabatterie: In questo processo il caricatore viene escluso in base al controllo di tensione, appena prima di raggiungere la piena carica. Con una temperatura per elemento di 20°C, il livello di esclusione é 1,55V. Questo subisce una caduta di -4mV per ogni grado di aumento della temperatura: si deve perciò prevedere un efficace sistema di compensazione della temperatura. La tensione dell'elemento può essere misurata solo in assenza di corrente. Questo si ottiene inserendo, ogni 1-2 secondi, periodi di misura lunghi 30-50 ms. Appena il valore di picco viene rivelato per un certo numero di volte durante questi periodi, il sistema deve passare alla carica di mantenimento a corrente ridotta. Inoltre, si deve prevedere un circuito di interruzione termica che intervenga quando la temperatura di un elemento é di 45°C (massimo 50°C) e/o quando si rileva un tasso di aumento della temperatura maggiore di 0,5 K/minuto. Poiché la carica ultrarapida non é ammessa alle basse temperature, l'interruttore termico deve avere anche un limite inferiore tra 10 e 15°C. Oltre ai suddetti sistemi di carica c'é un altro processo, denominato "carica ad impulsi", nel quale un gradiente di tensione (per esempio l'integrale del primo ordine della caratteristica di tensione di carica) é definito come condizione di esclusione e viene monitorizzato da un microcontroller munito di convertitore A/D. Come misura di sicurezza supplementare sono stati anche integrati sistemi di sorveglianza per il tempo e la temperatura. Questo processo viene generalmente definito "carica reflex": ogni impulso di carica é seguito da un breve periodo di carica a corrente elevata. Qualunque sia il sistema di carica usato, non si devono mai caricare batterie difettose. La carica ad impulsi permette di individuare se tutti gli elementi della batteria stanno effettivamente accumulando energia: basta misurare la tensione di ogni elemento dopo la prova. Quando diversi elementi vengono caricati a corrente relativamente elevata (tempo di carica meno di 15 minuti), ognuno deve essere munito del proprio sensore di temperatura.

Batterie al litio-ioni.
In queste batterie gli elettrodi sono costituiti da una speciale miscela di litio. La batteria Li-Ion si attiva quando gli ioni si spostano tra gli elettrodi in seguito alla carica/scarica. Grazie allo speciale composto di litio, la manutenzione della batteria é facile. La batteria Li-Ion é caratterizzata da un elevato rendimento, che la rende utile in un ampia gamma di applicazioni. Tali batterie possono essere caricate più di 1000 volte e sono prive del cosiddetto "effetto memoria". Degna di nota é anche l'elevata densità energetica: quasi tre volte quella di un'analoga batteria NiCd; la differenza é in realtà di un fattore quasi 4, se si confrontano i pesi dei due tipi di batterie. Le batterie Li-Ion sopportano considerevolmente bene gli eccessi di carica. La carica quasi continua necessaria, per esempio, per la batteria di un telefono senza fili non presenta problemi per un pacco Li-Ion, mentre molti pacchi NiCd non resistono più di qualche mese. La perdita per autoscarica di queste nuove batterie é circa del 50% minore rispetto alle batterie NiCd e NiMH e comporta automaticamente un tempo di magazzinaggio più prolungato. Le batterie Li-Ion hanno però un'elevata tensione per elemento (3,6V), pertanto non sono compatibili in tensione con le pile a secco o le batterie NiCd. La loro principale applicazione avviene perciò nei pacchi batteria, dove ogni elemento Li-Ion sostituisce tre elementi NiCd.

Rivista di Telefonia cellulare luglio/agosto 1997

Introduzione.
Nel corso degli ultimi anni sono stati compiuti grandi passi avanti nel tentativo di allungare il più possibile le prestazioni raggiungibili da una batteria con una singola carica. I produttori si sono prodigati nel pubblicizzare la durata delle proprie batterie in termini di ore, enfatizzando, in particolare, due dati ad esse relativi: il tempo di standby (ossia il periodo in cui il telefono opera in attesa di chiamate) e il tempo di conversazione (cioé il tempo reale durante il quale si chiacchiera). In realtà l'uso di un buon cellulare comporta entrambi gli aspetti. Gli utenti più esigenti desiderano un telefono che funzioni adeguatamente per tutta la giornata lavorativa (e magari per parte della seguente), mentre quelli occasionali necessitano di un apparecchio il cui funzionamento sia garantito nei momenti d'emergenza, per poi mantenerlo spento per il resto della giornata.

I tipi di batterie.
Negli ultimi anni, le tecnologie applicate alle batterie ricaricabili hanno fatto passi da gigante. Le batterie Nichel-Cadmio (NiCd), concepite negli anni '60, pur presentando buone prestazioni e prezzi contenuti, sono dannose per l'ambiente e soffrono inoltre l'effetto memoria. Quest'ultimo problema, in particolare, può portare al loro graduale deterioramento, rendendo necessario l'uso di uno speciale carica/scarica, detto anche ricondizionatore, che le scarichi in maniera controllata e provveda poi a ricaricarle lentamente. I nuovi tipi di batterie, in particolare quelle Li-Ion, non sono soggette all'effetto memoria e offrono ulteriori vantaggi quali una maggiore densità di energia, che consente a sua volta l'uso di involucri più piccoli e leggeri. Presentano tuttavia, come contropartita, un prezzo notevolmente più elevato. Una terza categoria di batterie, le NiMH (Nichel Metal Idrato), offre invece la vantaggiosa combinazione di una buona resa abbinata ad un prezzo ragionevole. Il tipo di batterie prescelto é dunque il primo aspetto ad influenzare i consumi.

Consumi futuri.
Il secondo fattore é relativo all'elttronica all'interno dell'apparecchio. In tal senso, i nuovi telefoni presentano una resa molto maggiore rispetto ai vecchi modelli, in quanto, con componenti più avanzati e nuovi chip, viene ridotta la richiesta di energia alla batteria, migliorando così i tempi operativi e riducendo nel contempo i costi di produzione e le dimensioni degli apparecchi. In futuro, il consumo verrà ulteriormente diminuito introducendo, nella produzione dei telefoni cellulari, semiconduttori da 3,3V del tipo di quelli attualmente impiegati per i personal organizer e i notebook. Ciò ridurrà ulteriormente il consumo, poiché una quantità assai minore dell'energia elettrica della batteria si disperderà in forma di calore. Inoltre, il voltaggio più basso (la maggior parte dei telefoni attuali opera sui 6V), consentirà di fabbricare telefoni con meno celle e, pertanto, di minori dimensioni. In ultima analisi, l'utente può ulteriormente ridurre i consumi disinserendo funzioni quali la retroilluminazione o l'opzione Vibracall, ossia l'avviso di chiamata a vibrazione, nonché regolando la suoneria al minimo.

La potenza della rete.
Il terzo fattore, spesso trascurato, é costituito dalla rete stessa, con cui l'apparecchio cellulare é in continua comunicazione. Tale dialogo é indispensabile affinché la rete individui dove si trova l'utente e lo serva con la cella più vicina. Nelle zone in cui la copertura é deficitaria, l'abbonato in movimento vedrà spesso ridursi di intensità il segnale e, talvolta, interrompersi la connessione con il network. L'apparecchio, nel tentativo di ripristinare quest'ultima, aumenterà enormemente il proprio consumo, riducendo dunque la durata delle batterie. L'insieme dei circuiti che compongo la parte trasmittente di un telefono cellulare richiede maggiore energia alla batteria rispetto alla parte ricevente: ciò spiega perché il tempo do conversazione (trasmissione e ricezione) incide assai di più sulla durata della batteria che non quello di standby (solo ricezione).

La vita si allunga.
Minori sono la frequenza dei dialoghi tra telefono e ponte radio e le richieste di identificazione del terminale (quando arriva una chiamata), più lunga sarà la durata delle batterie. Ne consegue che, facendo uso di un cellulare mentre ci si sposta in auto o in treno, il continuo passaggio da una cella all'altra, accresce il consumo della pila. Gli operatori di rete determinano, in tal caso, un valore di compromesso per la frequenza di dialogo ponte radio-telefonino che, generalmente, é di 25 minuti. Altre facilitazioni provengono dall'opzione DTX (discontinuous transmission), una funzione offerta dai terminali di più recente produzione, normalmente azionabile via menu. Tale caratteristica fa sì che il trasmettitore dell'apparecchio non operi durante le pause di una conversazione; questa modalità, particolarmente utile in caso di dialoghi effettuati con le batterie quasi scariche, ha tuttavia come contropartita un audio di qualità piuttosto scadente. Più vantaggiosa é la funzione risparmio per le batterie prevista da alcuni modelli Nokia e Motorola, che riduce automaticamente li livello di potenza in uscita della RF del trasmettitore nelle aree in cui il segnale é particolarmente forte. Anche l'uso della carta SIM, una smart card contenente un microprocessore e una memoria, é responsabile di un consumo di energia supplementare. A questo proposito va comunque specificato che le SIM card della nuova generazione, conosciute come card fase 2, offrono non soltanto una maggiore memoria per immagazzinare numeri di telefono ma, grazie a semiconduttori a basso consumo, una tecnologia che consente un notevole risparmio energetico.

Le funzioni mangia-batteria.
Vi sono alcune operazioni che accorciano notevolmente la vita delle batterie. Consultando i servizi disponibili via Short Message Service (Infocenter e ScripTim) da un cellulare, per esempio, si può arrivare a ridurre la durata in standby della batteria dell'apparecchio fino al 20% (4 ore nel caso di una batteria da 20 ore). Attenzione dunque, poiché quando si ricevono i messaggi relativi alle quotazioni borsistiche, alle previsioni meteo o ai risultati di calcio, i consumi si impennano.

Per maggiori informazioni potete visitare:

http://www.technick.net