Нова технологія точного вимірювання рівня заряду акумулятора

1. Чому вимір рівня заряду займає так багато часу?
2. Більш простий і недорогий метод оцінки рівня заряду
3. Точне вимірювання рівня заряду без використання моделі акумулятора
4. висновок

Бакул Дамле (Maxim Integrated)

Смартфони і «розумні годинник», фітнес-трекери і ігрові мобільні консолі, які ми використовуємо щодня, настільки поширилися, що можна сказати, ми живемо в світі, що живиться від батарейок. За прогнозами Global Industry Analysts, Inc., світовий ринок портативних пристроїв з батарейним харчуванням до 2020 року виросте до 865,4 млрд. US $. Не дивно, що технологія вимірювання рівня заряду акумуляторів стала настільки актуальною. Кожному з нас важливо точно знати, скільки часу пропрацює акумулятор в нашому електронному пристрої до наступного заряджання.

Оскільки температура і рівень навантаження сильно впливають на вихідну напругу, вимірювання рівня заряду зазвичай виявляється непростим завданням. Наприклад, напруга може істотно змінюватися через навантаження і температури. Крім того, зміна напруги або релаксація напруги розімкнутого ланцюга OCV (open-circuit voltage) можуть мати дуже велику затримку. Розглянемо докладніше різні методи вимірювання рівня заряду, їх сильні і слабкі сторони.

Чому вимір рівня заряду займає так багато часу?

Реалізація традиційного методу вимірювання рівня заряду являє собою тривалий процес. Спеціаліст по електроживлення або акумуляторів звертається до постачальника датчика заряду, щоб знайти підходящу математичну модель для свого акумулятора. Оскільки зарядна характеристика залежить від типу акумулятора, то кінцева модель повинна підходити до конкретного типу елемента живлення. Для цього необхідно отримати характеристики акумулятора при різних навантаженнях і температурі. Спеціаліст по електроживлення / акумуляторів повинен або використовувати спеціалізоване тестове обладнання на своєму власному виробництві, або відправити свій елемент живлення постачальнику датчика для визначення характеристик. Після того як ці пункти будуть виконані, фахівець може взяти отриману модель, підключити акумулятор до датчика заряду, провести перевірку і завершити розробку.

Найпростіший метод вимірювання рівня заряду використовує миттєве напруга. Цей метод дозволяє домогтися високої точності тільки якщо акумулятор знаходиться в відключеному стані більше двох годин. З цієї причини така технологія виявляється непрактичною. Крім того, миттєве напруга - не кращий показник рівня заряду акумулятора SOC (state of charge), так як залежить від матеріалів осередків і від температури.

Метод інтегрування струмів (Coulomb counting) використовується, якщо необхідна висока точність при короткострокових вимірах, оскільки присутні невеликі похибки мають незначний вплив. В даному випадку відбувається постійне вимірювання втікають і випливають струмів акумулятора з підсумовуванням результатів. Отримане значення віднімається з повного заряду, який може зберігати акумулятор, в результаті виходить заряд. Однак метод інтегрування струмів має деякі недоліки, зокрема, при виконанні вимірювань протягом тривалого часу результати спотворюються через накопичення помилок вимірювань. Як приклад розглянемо роботу акумулятора ємністю 1000 мА · год. При періодичних інтервалах з навантаженням 50 мА, за якими слідують тривалі періоди очікування з майже нульовим струмом, батарея розряджається протягом чотирьох днів.

Припустимо, що інтегратор має похибка 1 мА (наприклад, якщо для вимірювання струму використовується АЦП зі зміщенням 10 мкв і вимірювальне опір 10 мОм). Накопичена за чотири дні помилка складе 96мА · год. Для акумулятора 1000 мА ця похибка еквівалентна майже 10% ємності. Як бачите, здається невелика похибка, накопичуючись протягом тривалого часу, призводить до низької точності вимірювань. В результаті пристрій може передчасно або раптово відключитися. Щоб метод інтегрування струмів був ефективним, потрібна постійна корекція, яка, як правило, виконується, коли акумулятор заряджений, знаходиться в режимі очікування або повністю розряджений.

Метод інтегрування струмів має і інші недоліки. Оскільки датчик «не знає», що вважати повним зарядом або розрядом, то для правильної оцінки системою стану акумулятора він повинен працювати в циклі повного заряду і розряду. У реальному житті користувачі рідко чекають, поки акумулятор розрядиться, тому цикли з повним перезарядом відбуваються нечасто.

Більш простий і недорогий метод оцінки рівня заряду

Сучасні мікросхеми здатні визначати рівень SOC, використовуючи тільки напруга, що набагато простіше і дешевше, ніж вимір і інтегрування струмів. Нові алгоритми використовують зв'язок між SOC і OCV. Така технологія працює в режимі реального часу, враховує нелінійне поведінку і тимчасові ефекти в акумуляторі, забезпечує високоточні результати без вимірювання струму. З її допомогою навіть можна оцінити OCV, коли акумулятор знаходиться під навантаженням, використовуючи характеристики батареї і моделювання в реальному часі.

Нові ІС датчиків заряду, представлені на ринку, поєднують традиційний метод інтегрування струмів з новим алгоритмом оцінки заряду, ще більш підвищує точність. Такі датчики використовують метод інтегрування струму, вносячи невеликі коректування в міру необхідності. Якщо в традиційних інтеграторах повна помилка зростає з плином часу через накопичення похибок вимірювань, то нова технологія вимірювання заряду позбавлена ​​цього недоліку і не накопичує помилки.

В результаті вдається домогтися високої точності як при коротких, так і при тривалих циклах вимірювань. В останніх моделях таких мікросхем для настройки використовується спеціальна утиліта, яка дозволяє розробникам вибирати параметри програми, такі як напруга заряду, напруга розряду і струм відключення. Використовуючи ці характеристики, програма генерує модель, яка добре працює для більшості типів популярних акумуляторів.

Точне вимірювання рівня заряду без використання моделі акумулятора

Компанія Maxim Integrated пропонує мікросхеми для вимірювання рівня заряду, що використовують фірмову технологію ModelGauge, яка забезпечує кращу точність визначення SOC, максимальну тривалість роботи батареї, швидкий час виходу на ринок і високий рівень безпеки та надійності при збереженні компактних розмірів. Алгоритм ModelGauge конвертує результати електричних вимірювань, одержуваних в реальному часі, в значення SOC, виражені у відсотках, і в іншу інформацію про акумулятор. Використовуючи адаптивні механізми, датчик заряду здатний вивчати характеристики акумуляторів, щоб в подальшому підвищувати точність вимірювань. Остання версія даної технології позбавляє від необхідності використання індивідуальних моделей акумуляторів, забезпечує можливість зміни, а також використовує додаткові функції для прогнозування старіння елемента живлення. Як приклад можна розглянути MAX17055 - малопотребляющій (7 мкА) одноячеечний датчик заряду виробництва Maxim, який використовує алгоритм, що дозволяє відмовитися від побудови моделі акумулятора і забезпечує стійкість до можливих відхилень параметрів більшості літієвих акумуляторів (рисунок 1).

Мал. 1. MAX17055 - малопотребляющій (7 мкА) одноячеечний датчик заряду виробництва Maxim

висновок

Точне вимірювання рівня заряду акумулятора в портативних пристроях з батарейним харчуванням має вирішальне значення для комфортного процесу експлуатації. Традиційна технологія вимірювання рівня заряду вимагала багато часу для побудови моделі акумулятора, оскільки датчики повинні були бути сумісні з кожним конкретним елементом харчування. Нові мікросхеми датчиків заряду, що використовують сучасні алгоритми, забезпечують високоточне вимірювання SOC без побудови моделей акумуляторів.

оригінал статті

•••