Определение уровня заряда батареи. Решения от компании Maxim

В условиях наблюдаемого расцвета мобильных устройств точное измерение заря­да аккумулятора (батареи) — важная и актуальная задача. Сегодня существует множе­ство приложений, где проблема точной оценки заряда особенно критична. Это элект­ротранспорт, летательные аппараты, различные медицинские и другие приборы.

Всего лишь 20 лет назад проблема определения заряда аккумуляторов была востребована только в узком спектре при­ложений. В бытовой электронике — фотоаппаратах, плеерах, иг­рушках — она почти всегда отсутствовала. Потребитель мог точ­но знать только о двух состояниях — батарея заряжена и ба­тарея разряжена. Любые промежуточные состояния опреде­лялись только «на глаз». Так, например, опытный фотограф всегда знал, что со свежими батарейками, без чрезмерного использования ZOOM, он сможет сделать примерно 60 сним­ков. В итоге степень разряда определялась в фотографиях.

Естественно, что с расцветом мобильных устройств ситуа­ция стала очень быстро меняться. Сейчас ни один смартфон не обходится без индикатора заряда на экране.

Примеры смартфонов, планшетов, плееров и портативных приставок очень показательны в плане удобства определения уровня заряда. Однако есть приложения, в которых эта зада­ча стоит еще более остро. Например, если речь идет о порта­тивных медицинских приборах, то неожиданный разряд акку­мулятора может стоить человеку жизни. Не такие трагичные, но все-таки неприятные последствия могут возникнуть, если в длительном путешествии сядет аккумулятор электромобиля, а ближайшая розетка окажется в ста километрах.

В итоге измерение заряда аккумуляторов оказывается весь­ма актуальной задачей. При этом над проблемой повышения точности бьются все крупнейшие производители электронных компонентов. Существует множество запатентованных фирмен­ных методов измерения, которые обещают не только миними­зацию погрешностей, но и значительное упрощение процесса разработки устройства в целом. Примером этого является тех­нология ModelGauge, созданная компанией Maxim Integrated.

Фирменная технология измерения ModelGauge  имеет че­тыре версии:

  • ModelGauge — наиболее простоя реализация для малога­баритных и бюджетных устройств;
  • ModelGauge m3 — вариант для приложений с повышенны­ми требованиями к точности измерений;
  • ModelGauge m5 — реализация, обеспечивающая исключи­тельную точность измерений, отличную надежность и вы­сокий уровень безопасности;
  • ModelGauge m5 EZ. версия, которая ко всем преимуще­ствам ModelGauge m5 добавляет возможность работы с различными видами аккумуляторов без необходимости по­строения моделей их разрядных характеристик.

Рассмотрим преимущества ModelGauge перед другими спо­собами определения заряда аккумуляторов.

Но прежде чем приступить к анализу методов измерений, стоит определиться с самой постановкой задачи и решить, что, собственно, требуется измерять.

Измерение степени заряда аккумулятора

Каждый инженер знает, что номинальная емкость аккуму­лятора чаще всего приводится в ампер-часах (А·ч) или милли­ампер·часах (мА·ч). Этот параметр позволяет судить о том, на­сколько долго проработает аккумулятор при заданном токе. На­пример, если емкость равна 1000 мА·ч, то при разряде посто­янным током 1 А время работы составит 1 час.

В принципе, измерение заряда в мА·ч достаточно удобно для инженера. Зная емкость батареи и действующий ток, мож­но определять степень разряда.

Однако этот способ непрактичен для потребителей, так как приходится держать в голове характеристики аккумулято­ров (фотоаппарата, смартфона, плеера), а это крайне неудоб­но. По этой причине вводится такой относительный параметр как степень разряда или степень заряда аккумулятора в про­центах от его номинальной емкости.

Степень заряда аккумулятора (State of Charge SOC) изме­ряется в процентах и показывает, какая часть от полного за­ряда еще остается запасенной в аккумуляторе. Впрочем, тут нужно быть осторожным и отметить, что в данном случае ве­личина полного заряда не соответствует заряду при номиналь­ной емкости. Дело в том, что в процессе эксплуатации реаль­ная емкость аккумулятора падает и к концу срока службы мо­жет снижаться в среднем на 20%. Еще больше емкость зави­сит от температуры и величины тока разряда.

Таким образом, если взять за 100% номинальную емкость аккумулятора, то даже новый элемент питания невозможно будет зарядить до 100%, если, к примеру, темпера­тура среды упадет всего на один градус.

Чтобы избежать таких сложностей, при расче­те ЗОС используют реальную емкость данного ак­кумулятора. В итоге показатель степени заряда ЗОС оказывается независимым от величины ем­кости, температуры, нагрузочного тока и време­ни службы.

Обзор методов измерения уровня заряда аккумулятора

Существует множество различных методов из­мерения уровня заряда аккумулятора. Некоторые из них являются достаточно специфичными. Од­нако при их оценке можно использовать объек­тивные показатели, такие, например, как точность измерений, сложность реализации, стоимость и габариты.

Прямые измерения с помощью приборов

Этот метод подходит для ограниченного спек­тра приложений, в которых аккумулятор работа­ет с неизменным сопротивлением нагрузки. При этом используется зависимость постоянного вы­ходного тока от значения степени разряда. Как известно, если при разряде элемента питания сопротивление нагрузки остается неизменным, то ток уменьшается. Зная значение тока, можно определить степень разряда.

Однако все это остается верным только при выполнении нескольких условий: при отсутствии импульсной нагрузки и наличии выверенной раз­рядной кривой. Это связано с тем, что зависи­мость степени заряда от нагрузочного тока ока­зывается нелинейной. Стоит току измениться — точность измерений резко падает.

Дополнительные проблемы вносят старение батарей и температурная зависимость характе­ристик.

Данный метод имеет значительную погреш­ность и используется достаточно редко. Главным его достоинством является простота реализации с помощью подручных средств.

Химический метод определения степени заряда

Суть метода заключается в вычислении концентрации химических реагентов в растворе электролита. По­ка что данный метод достаточно далек от сферы мобильной электроники.

Определение степени заряда по напряжению аккумулятора

Хорошо известно, что при разряде аккумулятора его на­пряжение падает. Естественно, возникает желание использо­вать эту зависимость для определения SOC — ведь в этом случае потребуется всего лишь один АЦП. Однако не все так просто.

К сожалению, зависимость мгновенного напряжения на ак­кумуляторе от степени разряда не является однозначной. Од­ному и тому же значению мгновенного напряжения могут соответствовать разные уровни SOC. На рис.1 представлены вре­менные диаграммы изменения напряжения и степени заряда.

Рис. 1

Как видно из рис.1, одному и тому же значению мгновен­ного напряжения 3.8 В соответствует SOC 2%, 50% и 75%. Таким образом, в реальных условиях разброс может дости­гать десятков процентов.

Вместе с тем, по форме представленные графики схожи, а значит использовать значения напряжения для расчета SOC можно на некоторых участках. Однако есть и другие подвод­ные камни.

Во-первых, напряжение аккумулятора имеет нелинейную зависимость от величины тока нагрузки (рис.2).

Рис. 2

Во-вторых, напряжение аккумулятора имеет нелинейную зависимость от температуры (рис.3).

Рис. 3

Таким образом, простота реализации данно­го метода очень часто перекрывается низкой точностью. Тем не менее, в самых простых слу­чаях его можно использовать, например, чтобы не допускать критического разряда элементов питания.

Как видим, простые методы измерений не обеспечивают высокой точности, и приходится прибегать к более сложным решениям.

Метод интегрирования тока

Данный метод предполагает использование быстродействующих АЦП для измерения и сум­мирования мгновенных токов.

Алгоритм действия данного метода следую­щий: мгновенный ток преобразуется в напря­жение с помощью датчиков тока (датчики Хол­ла, шунты, магниторезистивные сенсоры и так далее).

Полученное напряжение оцифровывается с помощью бы­стродействующего АЦП. Полученные отсчеты интегрируются с помощью процессора или микроконтроллера. Зная суммар­ный ток, можно определить, сколько энергии отдал аккуму­лятор.

Как уже говорилось, номинальная и реальная емкость ак­кумулятора могут значительно отличаться. По этой причине при измерениях требуется знать, сколько энергии может ре­ально хранить аккумулятор. В итоге, чтобы рассчитать SOC, вначале требуется определить энергию, закачанную в эле­мент питания. Для этого необходимо измерять ток в процес­се заряда. Реальное значение емкости, полученное при за­ряде аккумулятора, можно считать за 100% только с оговор­ками. Практика показывает, что при заряде часть мощности приходится на нагрев. Кроме того, имеет место эффект са­моразряда.

В итоге «закачанная» мощность всегда будет больше той мощности, которую вернет аккумулятор.

Существуют различные ИМСы, работающие по данному принципу. Они объединяют в одном корпусе таймеры, АЦП, цепи тактирования и питания.

Метод позволяет достигать высокой точности определе­ния ЗОС, так как измерения зарядных и разрядных токов производятся с малой погрешностью. Вместе с тем, есть у него и недостатки. Интегрирование оказывается эффектив­ным только при постоянных или медленно меняющихся то­ках. При импульсных нагрузках часть энергии останется не-

учтенной даже при использовании самых быс­трых АЦП. На рис.4 показан худший случай при работе с импульсным током. Каждый раз в мо­менты измерения (отсчеты времени 1…8) АЦП получал одно и то же значение. В итоге систе­ма полагала, что ток постоянный, в то время как на самом деле скорость разряда менялась, и степень разряда оказывалась выше.

Рис. 4

Приведенная погрешность, очевидно, име­ет свойство накапливаться. Ее устранение воз­можно при обнулении в калибровочных точках: при полном разряде или полном заряде акку­мулятора.

Метод измерения импеданса аккумулятора В процессе эксплуатации аккумулятора концентрация но­сителей заряда в активном веществе электролита меняется. Измеряя импеданс элемента питания, можно определить сте­пень его заряда.

Данный алгоритм оказывается достаточно перспективным особенно с учетом появления специализированных микро­схем. Его достоинством можно считать высокую точность. Однако он требует циклов «обучения» и калибровки для по­лучения конкретной зависимости.

Кроме того, для реализации алгоритма необходима до­статочно сложная схема с дополнительными компонентами.

Метод измерения напряжения OCV

Несмотря на большую погрешность, в некоторых случаях значение степени заряда может быть определено с помощью мгновенного напряжения на аккумуляторе. Этот метод мож­но значительно улучшить, если использовать в расчетах не мгновенное, а установившееся значение напряжения, а в идеале — установившееся напряжение на разомкнутых кон­тактах (Open Contact Voltage, OCV).

Дело в том, что напряжение на разомкнутых контактах имеет практически идеальную линейную зависимость от сте­пени заряда (рис.5).

Рис. 5

Однако не все так просто. Чтобы на клеммах аккумуля­тора появилось «истинное» значение установившегося напря­жения OCV, он должен быть отключен от нагрузки и выдер­жан при номинальной температуре до 8…9 часов. Очевидно, что выполнить эти условия не всегда возможно. Однако рассчитать OCV по мгновенному напряжению и дополнительным параметрам вполне реально. Именно такой подход и использует компания Maxim в своей технологии ModelGauge.

ModelGauge – фирменные методы измерения от компании Maxim

В настоящий момент компания Maxim Integrated предлагает сразу несколько версий ал­горитма ModelGauge.

Данный алгоритм основан на вычислении сте­пени разряда аккумулятора по напряжению на разомкнутых клеммах OCV. Само напряжение OCV рассчитывается с помощью параметричес­кой модели, которая использует мгновенное зна­чение напряжения и учитывает не только тем­пературную зависимость, но и зависимость от тока нагрузки, и даже старение аккумулятора.

Учет старения аккумуляторов — важное до­стоинство ModelGauge, ведь все аккумуляторы со временем теряют емкость.

Потери емкости зависят и от числа циклов заряда-разряда. На рис.6 показана типовая за­висимость величины емкости от числа циклов заряда-разряда для литий-ионных аккумулято­ров. Для них снижение емкости при нормальных условиях (25°С, разряд номинальным током 1 С, заряд половиной от номинального тока С/2) обыч­но составляет около 20%.

Рис. 6

Еще одним достоинством ModelGauge явля­ется устойчивость при работе с импульсными на­грузками. Даже если система не успевает отcледить все всплески напряжения, общая тенденция по сниже­нию напряжения все равно будет учтена (рис.7). Погрешность будет самоустраняться с течением времени, а не накапли­ваться, как в рассмотренном выше методе с интегрировани­ем токов.

Рис. 7

Преимуществами ModelGauge являются:

  • простота реализации — требуется измерять только тем­пературу и напряжение;
  • привлекательная стоимость конечного решения — не нуж­ны дополнительные компоненты (шунты, делители и так далее);
  • минимальное потребление (например, микросхемы MAX17048/ MAX17049 в режиме сна потребляют всего 3 мкА);
  • отсутствие необходимости в калибровочных циклах «за­ряд-разряд», как в случае с измерением импеданса ак­кумулятора;
  • учет температурной зависимости;
  • учет старения;
  • отсутствие накапливающейся погрешности при импульс­ном потреблении;
  • минимальные габариты.

Однако справедливости ради стоит признать, что точность данного алгоритма уступает точности, которую обеспечивает метод с интегрированием токов, особенно для краткосроч­ных измерений. Это связано с тем, что какой бы идеальной не была математическая модель, она все-таки остается мо­делью и не может учесть все особенности реальных прило­жений. Поэтому были выпущены микросхемы, работающие по усовершенствованным алгоритмам ModelGauge.

Алгоритм ModelGauge m3 — объединяет краткосрочную точность метода с интегрированием токов и долгосрочную стабильность ModelGauge.

Микросхемы с ModelGauge m3 учитывают втекающие и вытекающие токи, как и в методе с интегрированием токов. Однако сброс накапливающейся погрешности происходит не только в крайних точках (при полном заряде или полном раз­ряде аккумулятора) — поправки вносятся прямо по ходу ра­боты с учетом данных от математической модели ModelGauge. Получаемая точность измерения степени заряда оказывает­ся лучшей среди аналогичных микросхем.

Алгоритм ModelGauge m5 — дальнейшее развитие ModelGauge m3. Микросхемы, реализующие ModelGauge m5, имеют на борту дополнительные компоненты:

  • встроенный датчик температуры;
  • энергонезависимую память для подсчета числа циклов заряда и разряда;
  • поддержку хеш-функции SHA256, которая позволяет рас­познавать фирменные аккумуляторы.

Алгоритм ModelGauge m5 EZ. Если алгоритм ModelGauge m5 предполагает подстройку под характеристики конкретно­го типа аккумуляторов, то алгоритм EZ. использует некоторую усредненную модель. Конечно, она не может быть иде­альной для всех типов элементов питания, зато алгоритм можно применять для широкого круга аккумуляторов без дополнительной подстройки и изучения их характеристик. ModelGauge m5 EZ. позволяет минимизировать время на раз­работку, что очень важно для современного рынка.

Та как компания Maxim предлагает сразу четыре версии ModelGauge, то выбор оптимального варианта стоит делать с учетом конкретного приложения.

Рекомендации по выбору версии ModelGauge для конкретного приложения

Каждая из версий ModelGauge имеет свои достоинства (табл.1). Выбор реализации алгоритма следует делать с уче­том требований конкретного приложения.

Таблица 1

Рассмотрим примеры типовых требований.

Простота схемотехнической реализации

Если данное требование является основным, а высокие показатели точности остаются на заднем плане, то стоит ис­пользовать микросхемы с поддержкой начальной версии ал­горитма ModelGauge. Например, мониторы MAX17048/MAX17049 требуют всего лишь одного внешнего конденсатора (рис.8). При этом стоит помнить, что для на­стройки этих микросхем требуется микроконтроллер, который должен самостоятельно производить измерения температу­ры и посылать данные в MAX17048/MAX17049 по интерфейсу I2C.

Рис. 8

Высокая точность и простота реализации Если необходимо получить низкую погрешность измере­ний SOC, а также не тратить времени на исследование ха­рактеристик аккумуляторов, то идеальным выбором станет ModelGauge m5 EZ. Этот алгоритм поддерживают предста­вители семейства MAX172xx.

Максимальная точность

Максимальную точность обеспечивают микросхемы с ModelGauge m3/m5. При этом, микросхемы MAX17047/MAX17050 с ModelGauge m3 не выполняют подсчета циклов заряда-разряда, и эту функцию должен взять на себя мик­роконтроллер. Для измерения температуры микросхемы тре­буют дополнительного термистора.

ModelGauge m5 могут самостоятельно подсчитывать цик­лы заряда-разряда и имеют в своем составе датчик темпе­ратуры. Для повышения точности измерения возможно под­ключение пары дополнительных внешних термисторов.

Минимальное потребление

При необходимости жесткой экономии ресурсов аккуму­лятора следует использовать микросхемы MAX17048/MAX17049 с ModelGauge. Их потребление составляет всего 3 мкА. Ти­повое значение питающих токов для ModelGauge m5 равно 9 мкА. Самое значительное потребление у ModelGauge m3 — до 25 мкА.

Минимальные габаритные размеры

В данном случае идеальным выбором снова станут мик­росхемы MAX17048/ MAX17049 с ModelGauge, так как они требуют только одного внешнего конденсатора, а собствен­ные габариты составляют всего лишь 0.9×1.7 мм. Надежность и защита от нелицензионных аккумуляторов Только мониторы MAX172xx с технологией ModelGauge m5 имеют встроенную поддержку функции хеширования SHA256. Она позволяет распознавать лицензионные акку­муляторы и сообщать процессору об использовании «неус­тавных» элементов питания.

Поддержка аккумуляторных батарей с числом ячеек более двух

Такой функцией могут похвастаться только ИМС MAX172x5 с технологией ModelGauge m5. При их использовании число последовательно соединенных аккумуляторов может дости­гать 15 штук.

Обзор микросхем MAX172xx с технологией ModelGauge m5

В состав семейства ModelGauge m5 входят четыре пред­ставителя: MAX17201, MAX17205, MAX17211 и MAX17215. Их общими отличительными чертами являются:

  • использование алгоритма определения степени заряда ModelGauge m5;
  • наличие энергонезависимой памяти для хранения исто­рии операций, параметров и данных пользователя;
  • отсутствие необходимости калибровки;
  • возможность оценки не только степени заряда, но ори­ентировочного времени заряда и разряда;
  • наличие встроенного датчика для измерения температу­ры ядра без внешних компонентов;
  • поддержка внешних дополнительных термисторов;
  • наличие встроенных быстродействующих компараторов для определения перегрузок по току;
  • наличие функции сигнализации о событиях и аварийных состояниях;
  • встроенная поддержка функции хеширования для распоз­навания нелицензионных аккумуляторов.

Все модели семейства выпускаются в двух корпусных ис­полнениях: TDFNCU/14 и WLP/15 (табл.2).

Таблица 2

Между собой микросхемы отличаются типом поддержи­ваемых аккумуляторов, потреблением и коммуникационным интерфейсом с внешним процессором.

Микросхемы MAX17201 и MAX17211 работают с одиноч­ными ячейками Li-ion и максимальными напряжениями до 4.9 В (рис.9).

Рис. 9

MAX17205 и MAX17215 предназначены для контроля сте­пени разряда аккумуляторных батарей с числом ячеек до 15 (рис.10). Для них максимальное значение напряжения пи­тания достигает 20 В.

Рис. 10

Для связи с внешним процессором МАХ17201 и МАХ17205 используют интерфейс I2C. Для этих же целей в МАХ17211 и МАХ17215 применяется однопроводной интерфейс 1-Wire.

Также микросхемы отличаются уровнем потребления. В активном состоянии МАХ172х1 потребляют 18 мкА, а в режиме сна 9 мкА. У микросхем МАХ172х5 потребление не­сколько выше — 25 мкА в активном режиме и 12 мкА в со­стоянии сна.

Простота реализации, малое собственное потребление и высокая точность делают микросхемы МАХ172х1/ МАХ172х5 отличным выбором для самых различных приложений — смарт­фонов и планшетов, портативных игровых приставок, цифро­вых камер, портативных медицинских приборов и так далее.

Автор: Антон Герасимчук, г. Нижний Новгород

Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/36776

Добавить комментарий