5 considérations pour la conception de produits fonctionnant sur batterie

1 septembre 2021 Par Contenu sponsorisé

Par Bill Scheremeta, ingénieur électricien principal chez Sunrise Labs

L'extension de la durée de vie de la batterie est l'une des considérations les plus importantes pour la conception de produits portables. Par exemple, prolonger la durée de vie de la batterie des dispositifs médicaux implantables allonge le temps entre les interventions chirurgicales. Pour les produits grand public et industriels, avoir la meilleure autonomie de batterie est un avantage concurrentiel crucial. Les clients s'attendent à une expérience fluide et ininterrompue avec un appareil portable. Si la durée de vie de la batterie est trop courte, l'expérience est interrompue à chaque fois qu'une batterie doit être remplacée ou rechargée. Ces interruptions frustrent l'utilisateur final, entraînant le ressentiment des clients, des commentaires négatifs et une perte de revenus. La durée de vie de la batterie est si importante que les principaux fabricants de batteries ont engagé des poursuites judiciaires pour des déclarations trompeuses sur la durée de vie de la batterie avant même que les produits ne soient envisagés.

Que vous développiez vos produits en interne ou que vous les sous-traitiez à une société de services de conception, le fait de transmettre les bonnes informations à vos équipes d'ingénierie système et de gestion de projet garantira que votre produit arrive sur le marché le plus rapidement possible. Dans ce blog, je décrirai plusieurs considérations pour développer votre produit fonctionnant sur batterie.

1) Les spécifications marketing ne sont pas des spécifications techniques

La durée de vie de la batterie des appareils commerciaux est fréquemment publiée dans la documentation marketing et les feuilles de coupe pour garantir que le produit se retrouve en tête de liste des acheteurs. Il est courant de publier des estimations de durée de vie de la batterie gonflées basées sur des conditions irréalistes bénignes avec une fonctionnalité importante du produit désactivée.

Donner à une équipe de conception la durée de vie de la batterie gonflée en tant qu'exigence technique préparera le terrain pour sur-concevoir le produit. La base du nombre n'est pas connue et l'équipe devra faire des hypothèses en utilisant le nombre irréaliste. Les coûts de développement augmenteront et le délai de lancement du produit pourrait être allongé. Pendant tout ce temps, la prochaine affirmation audacieuse de la compétition est en train de se dérouler.

Pour déterminer des spécifications et des contraintes réalistes, envisagez d'évaluer la durée de vie de la batterie d'un appareil fabriqué par le concurrent le plus épineux. S'il n'existe aucun dispositif prédicat / concurrent, envisagez d'évaluer les exigences d'autonomie de la batterie avec des études d'utilisateurs soigneusement conçues.

2) Assurez-vous que tous les groupes fonctionnels sont impliqués dans la génération des exigences, la détermination de la portée du projet et l'évaluation des résultats intermédiaires du projet

Les besoins des utilisateurs et les exigences marketing sont à la base des spécifications de conception. L'ajout de fonctionnalités qui ne sont pas appréciées par l'utilisateur final crée un travail inutile. Le fait que des ingénieurs de tous les groupes fonctionnels contribuent tôt et assistent aux réunions d'examen de la conception réduit les risques liés au projet et techniques.

De nombreux groupes fonctionnels différents doivent coopérer lors de la sélection des batteries lithium-ion. Les cellules lithium-ion ont des densités d'énergie élevées et doivent être traitées avec une attention particulière. Les concepteurs doivent considérer les abus mécaniques et électriques pour des raisons de sécurité comme une question de sécurité de base. Concernant les produits médicaux, la fonction Assurance Qualité/Conception doit veiller à la bonne exécution des UFMEA et DFMEA (User and Design Failure Modes and Effect Analyses). Lors de l'intégration de cellules nues dans un appareil, les concepteurs doivent aider à la définition des critères d'inspection et des tests pour les cellules.

Le courant de fuite circule à travers la combinaison de l'humidité et de la contamination ionique. Ce courant peut vider complètement une batterie bien avant l'achat du produit. Les ingénieurs de fabrication et de conception doivent travailler ensemble pour définir les contrôles de processus et les indicateurs de contamination des cartes de circuits imprimés.

La chaîne d'approvisionnement peut avoir à contrôler certains fabricants de batteries favorisés par l'ingénierie dans le cadre d'un processus commercial. Les approbations doivent être données le plus tôt possible. Le temps supplémentaire pour les tests de conception, de fiabilité et de vérification augmentera la portée du projet si les composants doivent être de source double pour un produit médical.

L'ingénierie de la fiabilité peut nécessiter des tests à long terme. Les tests doivent commencer dès que possible. De tels tests peuvent souvent s'accompagner d'études techniques supplémentaires sur la capacité de la batterie et l'usure d'autres composants. La coordination est essentielle – plus le temps passe, plus les changements deviennent coûteux.

3) L'analyse et la mesure sont nécessaires

L'analyse et la mesure de l'énergie retirée de la batterie sont nécessaires pour maintenir le projet sur la bonne voie. Les mesures donnent des informations fiables pour un ensemble particulier de composants, mais une analyse est nécessaire pour étendre les mesures afin de tenir compte des tolérances des composants et des scénarios opérationnels.

La décomposition du fonctionnement du système en activités bien définies garantit une analyse approfondie de la durée de vie de la batterie et donne un aperçu de l'impact des fonctions spécifiques du produit sur la durée de vie de la batterie. Le fonctionnement du produit est décomposé en un ensemble d'activités qui tirent de l'énergie de la batterie. Prenons un appareil simple qui mesure, enregistre et transmet la valeur de la variable mesurée. Il activera également une alarme si une limite fixée est dépassée. Une décomposition possible consiste en les activités suivantes :

Au fur et à mesure que la conception évolue, les modifications matérielles et logicielles incrémentielles sont examinées pour déterminer leur impact sur la durée de vie de la batterie. La cartographie des fonctionnalités matérielles et logicielles spécifiques à la consommation d'énergie est un outil précieux pour l'ingénierie des systèmes. Tout d'abord, il met en évidence les domaines où il est possible d'améliorer la fonctionnalité. Deuxièmement, de nouvelles solutions peuvent être rapidement évaluées. Par exemple, passer des calculs en virgule flottante aux calculs en virgule fixe permet-il d'économiser de l'énergie ? Troisièmement, s'il n'est pas clair si l'attribution d'une fonction au matériel ou au logiciel peut améliorer la durée de vie de la batterie, une mesure rapide rendra le choix évident.

Avec l'aide d'un débogueur ou d'un déclencheur sur une broche d'E/S de rechange, l'équipement de test peut mesurer rapidement et facilement l'énergie associée à chaque activité. La plupart des équipements peuvent fournir des informations statistiques pour chaque transaction après de nombreuses observations.

Comme nous l'avons indiqué ci-dessus, un peu plus d'analyse sera nécessaire pour tout lier et inclure les effets de la variation des composants. Au fur et à mesure que les transactions sont terminées, la tension de la cellule diminue en fonction de l'état de charge initial et de l'état de santé. Si vous visez haut, vous voudrez inclure les effets de tout changement d'efficacité de conversion de puissance lorsque la tension des cellules de la batterie chute.

Nous avons décrit un système simple et de nombreux systèmes portables sont plus complexes. Dans ce cas, il est beaucoup plus approprié de décomposer le fonctionnement du système en états.

4) Traitez les facteurs opérationnels dès le départ

Les facteurs opérationnels incluent les cas d'utilisation et les variables stochastiques qui ont un effet significatif sur la durée de vie de la batterie. Dans la liste des activités ci-dessus, la fréquence à laquelle l'appareil doit activer la charge électromécanique ou la fréquence à laquelle l'appareil doit retransmettre des données en raison d'une mauvaise qualité de liaison n'est pas claire. Ces facteurs affectent clairement la durée de vie de la batterie. Toutes les parties prenantes du projet doivent convenir que toutes les hypothèses menant aux facteurs opérationnels sont comprises et acceptables.

Dans certains cas, il sera difficile pour tout le monde d'être à l'aise avec les hypothèses. Des informations supplémentaires doivent être obtenues à partir d'études sur le terrain à l'aide d'une unité prototype. Il est de loin préférable de traiter l'incertitude au début du développement plutôt que de choisir les fonctionnalités ou les exigences à réduire vers la fin du développement.

5) Il ne s'agit pas uniquement de la batterie

Il existe une énorme quantité d'informations disponibles décrivant les considérations relatives à la capacité des cellules primaires et secondaires. L'information existe car la capacité indiquée sur la fiche technique a une valeur très limitée. La capacité des cellules est sensible à l'authenticité, aux variations de fabrication, au temps et aux conditions de stockage, aux profils de charge et de décharge et aux conditions d'utilisation. Une pile AA vendue en Extrême-Orient n'aura pas la même capacité qu'une pile vendue dans d'autres régions.

Une condition souvent négligée est l'effet de l'impédance de la cellule sur le comportement du circuit. Lorsqu'une batterie ou une pile de cellules s'épuise, l'impédance des cellules augmente. Les courants de pas transitoires, tirés par les circuits de charge, provoquent des creux de tension qui peuvent avoir un impact sur d'autres parties des circuits. Si une chute de tension déclenche le détecteur de baisse de tension d'un microprocesseur, le produit subira de fausses réinitialisations. Une baisse de température crée un problème similaire. De plus, l'impédance cellulaire a tendance à augmenter avec l'âge. Cela signifie que la capacité de la batterie doit être calculée en utilisant une tension de fin de vie supérieure à la tension requise pour faire fonctionner le produit en régime permanent.

Les charges électromécaniques telles que les pompes ont des caractéristiques électriques qui changent considérablement avec la température et l'âge. Par exemple, à des températures froides, les lubrifiants deviennent plus visqueux et les membranes deviennent plus rigides. La viscosité des médias augmentera. Au fil du temps, les filtres se bouchent et la friction des roulements augmente. Les tubes deviennent obstrués à tout moment. Les contacts électriques s'usent, créant le besoin de plus d'énergie envoyée à la bobine pour casser ou faire un circuit. Toutes ces conditions tirent de l'énergie supplémentaire de la batterie.

La plupart de ces conditions ne peuvent pas être traitées économiquement par analyse, elles doivent donc être mesurées avec des techniques issues de l'ingénierie de la fiabilité. Ces techniques peuvent prendre beaucoup de temps.

Conclusion

Ne pas tenir compte de ces considérations augmente les coûts de développement et crée des problèmes qui seront sûrement découverts longtemps après la livraison du produit. Les dépenses et le temps nécessaires pour trouver la cause profonde, les coûts de garantie plus élevés que prévu et la perte de clientèle ne sont que quelques-unes des nombreuses conséquences.

À propos de Sunrise Labs :

Fondée en 1992 pour produire des conceptions robustes, fiables et rentables, Sunrise Labs transforme les idées en solutions de dispositifs médicaux commerciaux. Aujourd'hui, les clients tirent parti des vastes connaissances de nos plus de 90 employés internes pour résoudre leurs problèmes de conception.

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