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Calculadora de Vida de Batería

Estima la duración de la batería en función de la capacidad y el perfil de consumo del dispositivo.

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Fórmula

Ieff=Iavg⋅D100,t=C⋅(1−SoCmin/100)Ieff+RsdI_{eff} = I_{avg} \cdot \frac{D}{100},\quad t = \frac{C \cdot (1 - SoC_{min}/100)}{I_{eff} + R_{sd}}

Referencia: Nordic Semiconductor PWR Profiler methodology; Texas Instruments SLUA364

I_eff— Corriente efectiva después del ciclo de trabajo (mA)
I_avg— Consumo de corriente promedio (mA)
D— Ciclo de trabajo (%)
C— Capacidad de la batería (mAh)
SoC_min— Estado de carga límite (%)
R_sd— Autodescarga por hora (mAh/h)

Cómo Funciona

La calculadora de duración de la batería calcula el tiempo de ejecución a partir de la capacidad, la corriente de carga y el ciclo de trabajo, algo esencial para el diseño de dispositivos IoT, dispositivos portátiles y dispositivos electrónicos portátiles. Los ingenieros de sistemas integrados, los diseñadores de productos y los ingenieros de aplicaciones de campo utilizan esta herramienta para dimensionar las baterías y optimizar los presupuestos de energía. Según la «Guía de administración de energía» de Texas Instruments (SLVA773), un nodo de sensor BLE típico consume 15 mA durante la transmisión (ciclo de trabajo del 1%) y 3 μA en modo de reposo, lo que produce una corriente promedio de 270 μA; una pila tipo moneda CR2450 de 2000 mAh proporciona 308 días de funcionamiento. La medición de la capacidad de la batería y el modelado Peukert siguen las normas IEC 61960 (pilas de litio secundarias y baterías para aplicaciones portátiles) e IEC 60086 (baterías primarias). La ecuación fundamental Runtime = Capacity × (1 - Autodescarga)/Average_Current presupone una descarga constante, pero las baterías reales presentan curvas de descarga no lineales: las celdas de iones de litio proporcionan el 90% de su capacidad nominal por encima de los 3,6 V, pero solo el 10% final entre 3,6 V y 3,0 V. La ecuación de Peukert (Cp = i^K × t) modela la pérdida de capacidad según la velocidad: una batería de 2000 mAh a una velocidad C/10 ofrece toda su capacidad, pero a una velocidad de 1 °C solo ofrece 1850 mAh (una pérdida del 7,5% por nota de aplicación de Energizer).

Ejemplo Resuelto

Diseñe un sistema de batería para un sensor ambiental LoRaWAN con una vida útil objetivo de 10 años. Perfil de carga según la hoja de datos del TI CC1310: modo de transmisión = 25 mA durante 100 ms cada 15 minutos, procesamiento activo = 3 mA durante 50 ms por transmisión, reposo profundo = 0,7 µA continuos. Paso 1: Calcular la corriente promedio — Transmisión: 25 mA × (0,1 s/900 s) = 2,78 µA. Procesamiento: 3 mA × (0,05 s/900 s) = 0,17 µA. Sueño: 0,7 µA. Promedio total = 3,65 µA. Paso 2: Tenga en cuenta la autodescarga: las pilas de cloruro de tionilo y litio de Tadiran presentan una autodescarga de menos del 1% anual. Más de 10 años: pérdida de capacidad del 10%. Paso 3: Calcule la capacidad requerida: 3,65 µA × 87.600 horas × 1,1 (margen de autodescarga) × 1,2 (margen de EOL) = 423 mAh. Paso 4: Selecciona la batería: el Tadiran TL-5920 (tamaño C, 8500 mAh) ofrece un margen de seguridad 20 veces mayor, ya que se adapta a los efectos del envejecimiento y la reducción de la temperatura.

Consejos Prácticos

  • ✓Según Nordic Semiconductor AN-9102, mida la corriente de reposo real con un amperímetro de resolución NA (Keithley 6221/2182A o Joulescope); los errores del firmware suelen provocar una corriente de reposo 100 veces mayor que la especificada
  • ✓Utilice las calculadoras de duración de batería de Panasonic o Murata para realizar correcciones Peukert específicas para la química: las pilas alcalinas pierden un 30% de capacidad a una velocidad de descarga de 100 mA en comparación con una velocidad de descarga de 10 mA
  • ✓Incluya un margen de diseño del 20 al 30% debido a las variaciones de fabricación, el envejecimiento de la batería (pérdida de capacidad del 10% cada 500 ciclos) y las temperaturas de campo extremas

Errores Comunes

  • ✗Uso de corriente máxima en lugar de corriente promedio: un módulo GPS que consume 50 mA durante 5 segundos cada hora tiene un promedio de 69 µA, no 50 mA (sobreestimación de 720 veces)
  • ✗Ignorando los efectos de la temperatura: la capacidad de iones de litio cae un 20% a 0 °C y un 40% a -20 °C según las especificaciones de Samsung SDI; baterías del tamaño de las baterías para la peor temperatura de funcionamiento
  • ✗Suponiendo una capacidad utilizable del 100%, la mayoría de los dispositivos requieren un voltaje de funcionamiento mínimo por encima del límite de la batería; un LDO de 3,3 V necesita una entrada de más de 3,5 V y pierde el 15% inferior de la capacidad de iones de litio

Preguntas Frecuentes

Según el manual de aplicación de Energizer, la capacidad varía significativamente con la temperatura. A -20 °C: el alcalino retiene el 50% de su capacidad, el litio primario retiene el 85% y el ion de litio retiene el 60%. A +45 °C: la autodescarga se duplica, lo que reduce la vida útil en un 50%. El fosfato de hierro y litio (LFP) ofrece el mejor rendimiento en frío, ya que conserva el 80% de su capacidad a -20 °C.
El ciclo de trabajo es la fracción de tiempo que un dispositivo funciona a una corriente máxima. Un dispositivo que consume 100 mA durante 10 ms por segundo tiene un ciclo de trabajo del 1% y una corriente promedio de 1 mA. Los dispositivos IoT suelen tener un ciclo de trabajo inferior al 0,1%: los sensores LoRaWAN de clase A pueden transmitir solo el 0,001% del tiempo, lo que permite que las pilas AA duren más de 10 años.
La tensión de corte evita los daños causados por una descarga profunda. Las celdas de iones de litio sufren una pérdida de capacidad irreversible por debajo de los 2,5 V; la disolución del cobre del ánodo contamina el electrolito. Las baterías de plomo-ácido experimentan una sulfatación por debajo de los 10,5 V (sistema de 12 V). La mayoría de los dispositivos utilizan un margen de reserva del 10 al 20%, con un límite de 3,0 a 3,2 V en el caso de las baterías de iones de litio.
Las calculadoras proporcionan estimaciones de ± 20% en condiciones ideales. Factores reales que reducen la precisión: el efecto Peukert (pérdida del 5 al 15% con corriente alta), la variación de temperatura (oscilación del 20 al 40%), la acumulación por autodescarga (del 1 al 5% al mes en el caso del NiMH) y los transitorios de carga. Valide las predicciones con pruebas de descarga controlada en las condiciones de funcionamiento esperadas.
No, la autodescarga varía 100 veces entre las sustancias químicas. Según datos de Battery University: cloruro de tionilo de litio < 1% al año, iones de litio del 2 al 3% al mes, NiMH del 15 al 20% al mes (1% al día), plomo-ácido del 3 al 5% al mes. Según los datos de Battery University: cloruro de tionilo de litio (1 año), utilice celdas primarias de litio (Tadiran, Saft) con una autodescarga inferior al 1% anual.

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