El número de celdas necesarias para suministrar energía a un sistema integrado

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Estoy diseñando un sistema integrado alimentado por batería. El sistema consiste principalmente en Raspberry Pi zero & Raspberry Pi Camera V2 y algunos otros módulos de sensores. Se supone que este sistema captura imágenes fijas en secuencia durante 4 horas con cierto intervalo de tiempo y mide algunos observables ambientales. Una condición importante es que la temperatura ambiente sería de alrededor de -40 \ $ ^ {\ circ} \ $ C. Quería preguntarle si mi cálculo del número de celdas de batería requeridas para esta aplicación es válido.

Para este cálculo, supongo que se utilizará el TL5930 de Tadiran. También se supondrá un convertidor elevador (regulador de conmutación) con una eficiencia del 90%. La Raspberry Pi requiere su fuente de alimentación para generar una salida de 5V. El consumo máximo de energía de la Raspberry Pi, la Raspberry Pi camera y otros son medidos por mí mismo, y me gustaría suponer que aquí los dispositivos consumen 3.0W (5V * 600mA) en total continuamente. (Por favor, asuma este valor)

Luego, a partir del consumo de energía de 3.0W y la eficiencia de conversión del 90%. Encuentro que la potencia que se debe suministrar al regulador de voltaje es $$ P_ {in} = P_ {out} \ times \ frac {1} {\ eta} = 3.0W \ times \ frac {100} {90} = 3.3W \ qquad \ quad [1] $$

Ahora necesito saber cuántas baterías y qué configuración necesito para suministrar 3.3W durante aproximadamente 4 horas. Miré las parcelas 'Voltaje vs temperatura' y 'Capacidad vs corriente' en la hoja de datos del TL5930 y se encontró que uno debe hacer una suposición de la tasa de descarga para estimar el voltaje del terminal y la capacidad de la batería. Supongo que la carga actual sería de 230mA. Luego, en la condición de \ $ T = -40 ^ {\ circ} \ $ y \ $ I_ {d} = 230mA \ $, el voltaje del terminal de la celda sería \ $ V_ {BAT} = 2.2V \ $, y la capacidad sería \ $ Q_ {BAT} = 0.5Ah \ $. Suponiendo que conecto celdas en paralelo y convierto 2.2V a 5V. El consumo de corriente total de las baterías al regulador de voltaje es $$ I_ {in} = 3.3W / 2.2V = 1.43A \ qquad \ quad (2) $$ Como ya asumí la tasa de descarga y el voltaje derivado, así como la capacidad, asumo nuevamente que la tasa de descarga de cada batería será \ $ I_ {d} = 230mA \ $ $$ 0.23A \ veces N = 1.43A. \ qquad \ quad (3) $$ $$ N = 6.22. \ quad (4) $$

Si tengo menos de 6 celdas, la corriente superaría los 230 mA. Esto no se recomienda, porque la corriente continua máxima recomendada del TL5930 es de 230 mA. Por eso necesito 7 celdas conectadas en paralelo.

Para mí el cálculo parece extraño. La tasa de descarga sería inferior a 230 mA esta vez, y es inconsistente con mi suposición inicial. Tendría que cambiar mi suposición inicial de la tensión del terminal y la capacidad. Entonces obtendré una tasa de descarga diferente al final. ¿Podría por favor hacerme saber qué es lo que está mal en mi cálculo?

    
pregunta Nownuri

2 respuestas

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La ESR de los condensadores electrolíticos congelados pasa por el techo, si tiene alguno en su diseño, verifique si hay problemas potenciales.

Su problema es si alguno de los componentes de una Raspberry Pi tiene una clasificación de -40 ° C (probablemente ninguno). Teniendo en cuenta el precio de un rPi, compraría un poco más, los congelaría y conservaría los que aún funcionan.

La batería funciona mucho mejor en caliente que en congelada.

No voy a hacer los cálculos para esto, pero consideraría colocar el dispositivo, o al menos la batería, dentro de un recinto aislado, por ejemplo, espuma PIR de 5 cm de espesor. Asumiremos que quienquiera que lo coloque afuera en un clima con temperatura de -40 ° C llegó allí en un agradable y cómodo vehículo con calefacción, de modo que el dispositivo pueda calentarse por dentro cuando empiece. Solo quieres 4 horas de tiempo de ejecución, que es bastante bajo.

Incluso podrías ir:

"Estimado cliente, podemos venderle la batería de $ 200 que funciona a -40 ° C, o podría romper un calentador de mano, meterlo en el gabinete y cerrar la tapa, y en este caso, la batería de $ 5 le dará la mismo tiempo de ejecución ".

    
respondido por el peufeu
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Intenta enfocar esto desde un ángulo diferente. El trabajo necesita 600 mA a 5 V durante 4 horas. Esto es 12 W * hr total.

Ahora, ya que existen limitaciones obvias en el término de la corriente de descarga por celda, la topología de la fuente de alimentación debe elegirse como un convertidor Buck, no un refuerzo de baja tensión. Por lo tanto las celdas deben estar conectadas en serie.

Si una batería tiene un límite de 200 mA, necesita una batería de 15V convertida a 5V. Suponiendo que las pérdidas de corte y conversión de 3 V, 5 celdas deberían ser suficientes. Con 12 W h requisitos totales, cada celda debe tener una capacidad de ~ 2.5 W h, o solo ~ 1 A * h para una tecnología de celda de 3V.

Por lo tanto, puede optar por celdas más pequeñas de Tadrian, digamos TLH-5920 de tamaño C, que tiene 1 A * H a una descarga de 100 mA y -30C. Esto podría ser marginal, por lo que el tamaño D probablemente hará el trabajo requerido. La incertidumbre proviene del hecho de que Tadrian no ofrece ninguna caracterización a 200 mA de descarga, ni a -40C. Por lo tanto, es posible que necesites hacer una investigación experimental por tu cuenta.

Una alternativa sería una batería sellada de plomo-ácido 12-V 1 A * h. Escuché que funcionan bien en áreas polares de la Tierra.

    
respondido por el Ale..chenski

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