Зарядное устройство для NiMH-аккумуляторов с возможностью индикации состояния

30 апреля

управление питаниеммедицинаавтоматизацияMicrochipстатьяинтегральные микросхемыбатарейное питаниеNiMHПромавтоматика

Сива Перьясами, Тони О’Бирн (Microchip Technology Inc.)

Предлагаемое Microchip недорогое зарядное устройство для NiMH-аккумуляторов на базе микроконтроллера PIC10F222 способно определять момент окончания заряда и обнаруживать различные аварийные ситуации. Рассмотрено также использование статистических методов для разработки алгоритма, способного надежно определять состояние зарядного устройства.

Несмотря на значительный интерес к аккумуляторам, использование никель-металлгидридных (NiMH) изделий по-прежнему ограничено. Высокая суммарная стоимость зарядного устройства и самого аккумулятора является одной из основных причин популярности обычных незаряжаемых батареек. При этом обычные батарейки плохо подходят для работы с импульсными токами из-за высокого собственного сопротивления, что ограничивает их использование в таких приложениях как цифровые камеры, устройства с электродвигателями, рации и прочее. NiMH-аккумуляторы обладают низким внутренним импедансом, что обеспечивает им важное преимущество в аналогичных приложениях. Тем не менее, если в случае с цифровыми камерами пользователи зачастую останавливают свой выбор на никель-металлгидридных аккумуляторах, то на рынке игрушек по-прежнему преобладают обычные батарейки, что объясняется их низкой стоимостью. Однако в долгосрочной перспективе аккумуляторы оказываются более экономически выгодным вариантом.

Коммерческие зарядные устройства для NiMH-аккумуляторов можно разделить на две группы:

  • быстрые зарядные устройства (Fast Chargers), которые реализуют специальный ускоренный алгоритм заряда. Им требуется от 15 минут до трех часов для того чтобы зарядить батарею из двух или четырех аккумуляторных ячеек;
  • простые зарядные устройства (Trickle Chargers), которые не имеют специального алгоритма заряда и заряжают аккумулятор постоянным безопасным низким током. Им требуется около 15 часов, чтобы зарядить батарею из двух или четырех аккумуляторных ячеек.

Примечание 1. Аккумуляторная ячейка – простейший элемент питания с анодом, катодом и номинальным выходным напряжением. Аккумулятор может состоять из одной или нескольких аккумуляторных ячеек. Далее для простоты термины «аккумуляторная ячейка» и «аккумулятор» считаются эквивалентными. 

Примечание 2. Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах. Показатель «C» характеризует ток, который полностью разрядит аккумулятор за один час. Если аккумулятор емкостью 2000 мА⋅ч, заряжается током 200 мА, то считается, что заряд идет со скоростью 0,1C. 

Заряд NiMH-аккумуляторов при различных условиях

На рисунке 1 показаны графики изменения эффективности заряда аккумулятора в процессе подзарядки при различных зарядных токах. Как видно из графиков, эффективность заряда является переменной величиной, зависящей от уровня заряда и тока зарядки. Максимальная эффективность наблюдается при скоростях 0,5…1С. Анализ этих зарядных характеристик выходит за рамки данной статьи. Дополнительную информацию по этому вопросу можно получить из источников, перечисленных в списке литературы.

Рис. 1. Изменение эффективности заряда аккумулятора в процессе подзарядки при различных зарядных токах

Рис. 1. Изменение эффективности заряда аккумулятора в процессе подзарядки при различных зарядных токах

В процессе заряда на никелевом электроде образуется кислород. Этот кислород рекомбинирует с металлгидридным электродом. При высоких зарядных токах скорость генерации кислорода может превышать скорость рекомбинации. Увеличение концентрации кислорода и рост температуры приводит к увеличению давления в ячейке. При значительном повышении давления ячейка разрушается, в результате чего электролит может вытечь из корпуса. Дополнительную информацию по этому вопросу можно получить из источников, перечисленных в списке литературы. На рисунке 2 показаны графики изменения давления внутри ячейки при различных скоростях заряда.

Рис. 2. Изменение давления внутри ячейки при различных скоростях заряда

Рис. 2. Изменение давления внутри ячейки при различных скоростях заряда

Быстрые зарядные устройства (Fast Chargers)

Быстрые зарядные устройства работают по определенному алгоритму. Они управляют током заряда в процессе подзарядки. Диапазон изменения токов может составлять 0,5…6C. Обычно быстрые зарядные устройства создаются на базе импульсных преобразователей. При разработке таких зарядных устройств приходится решать целый ряд проблем, связанных с отводом тепла, электромагнитными помехами и безопасностью. Поскольку подзарядка выполняется при больших зарядных токах и существует высокая опасность повышения давления в ячейке (рисунок 2), то во избежание повреждения аккумулятора и зарядного устройства крайне важно контролировать уровень заряда и своевременно прекращать зарядку. Борьба с помехами, сертификация на соответствие стандартам безопасности, закупка комплектующих, сложность производства и испытаний увеличивают расходы и стоимость быстрых зарядных устройств. Как правило, алгоритм управления быстрых зарядных устройств способен не только определять момент завершения заряда (и уменьшать зарядный ток), но и обнаруживать неисправные ячейки. Обычно зарядные устройства способны распознавать следующие ситуации:

  • завершение процесса заряда;
  • попытка заряда обычной незаряжаемой батарейки (первичного гальванического элемента);
  • попытка заряда полностью заряженного аккумулятора;
  • попытка заряда закороченной ячейки.

Благодаря сложному алгоритму быстрое зарядное устройство может заряжать частично разряженную батарею, не перегружая ее. Некоторые зарядные устройства способны распознавать никель-металлгидридные аккумуляторы, которые выдерживают высокие зарядные токи.

Быстрые зарядные устройства зачастую оснащают ЖК-дисплеем или сигнальными светодиодами, а также звуковым сигналом. Дополнительную информацию по быстрым зарядным устройствам можно получить из источников, перечисленных в списке литературы.

Высокая стоимость ограничивает массовое распространение быстрых зарядных устройств.

Простые зарядные устройства (Trickle Chargers)

В отличие от быстрых зарядных устройств, в простых коммерческих зарядных устройствах не реализован какой-либо специальный алгоритм управления зарядом. В них, как правило, используется постоянный безопасный зарядный ток 0,1C (или ниже). Ток заряда ограничивается последовательным резистором и сопротивлением обмоток трансформатора. Схема такого зарядного устройства показана на рисунке 3.

Рис. 3. Схема простого зарядного устройства

Рис. 3. Схема простого зарядного устройства

Изображенное на рисунке 3 двухканальное зарядное устройство отличается привлекательной стоимостью, минимальным числом используемых компонентов, а его зарядный ток обычно составляет 0,1 C (или ниже).

Резисторы R1 и R2 ограничивают зарядный ток аккумуляторов AA на уровне 0,1 C. Аккумуляторы успевают зарядиться за ночь, и пользователь должен вынуть их из зарядного устройства по истечении времени зарядки. Для индикации питания зарядного устройства можно добавить простейшую схему со светодиодом.

Технические ограничения

Представленное на рисунке 3 зарядное устройство имеет следующие ограничения:

  • неспособность распознавать обычные незаряжаемые батарейки;
  • неспособность обнаруживать неисправные ячейки (со внутренним коротким замыканием);
  • отсутствие индикации окончания заряда в большинстве коммерческих зарядных устройств;
  • неспособность распознавать полностью заряженные или частично заряженные аккумуляторы. Таким образом, возможна перезарядка и последующее повреждение NiMH-ячеек.

Интеллектуальное зарядное устройство

В данной статье описывается недорогое микроконтроллерное зарядное устройство, свободное от традиционных ограничений, характерных для простых зарядных устройств. Предлагаемое зарядное устройство способно определять момент окончания заряда и обнаруживать различные аварийные ситуации. В статье также рассказывается об использовании статистических методов для разработки алгоритма, способного надежно определять состояние зарядного устройства.

Рассматриваемое зарядное устройство позволяет одновременно заряжать четыре NiMH-аккумулятора.

В предлагаемой схеме зарядного устройства используется минимальное число компонентов, что делает его потенциально более надежным по сравнению с быстрыми зарядными устройствами. Малое значение зарядного тока гарантирует, что кислород, генерируемый в процессе зарядки, будет успевать регенерировать, и давление в ячейке никогда не достигнет катастрофического уровня. По этой причине отпадает необходимость в дополнительной схеме защиты. Более того, благодаря использованию линейной топологии и отказу от импульсной схемы преобразователя существенно упрощается процесс сертификации устройства на соответствие международным требованиям безопасности и ЭМС. Обычный трансформатор 50 или 60 Гц используется для понижения напряжения сети. Так как в предлагаемом зарядном устройстве используются простые и доступные компоненты, то и его производство оказывается очень простым.

Технические характеристики

В таблице 1 приведены технические характеристики бюджетного двухканального интеллектуального зарядного устройства.

Таблица 1. Технические характеристики бюджетного двухканального интеллектуального зарядного устройства

Параметр Значение Примечание
Входное напряжение Номинальное значение 230 В, 50 Гц +5%…-10%
Диапазон рабочих напряжений 207…241 В
Выходное напряжение Номинальное значение 3,0 В DC Без нагрузки
Защита на входе Термистор в трансформаторе
Защита на выходе Ограничительный резистор, собственное сопротивление трансформатора, термистор, встроенный в трансформатор
Индикация Функции Состояние светодиода
Отсутствие аккумулятора ВЫКЛ
Аккумулятор установлен, идет зарядка ВКЛ
Зарядка завершена Медленно мигает: раз в 1…2 с
Неисправность аккумулятора Быстро мигает: с периодом 100…200 мс

Схема предлагаемого зарядного устройства приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Схема интеллектуального зарядного устройства

Рис. 4. Схема интеллектуального зарядного устройства

Схема зарядного устройства состоит из двух полупериодных выпрямителей, заряжающих две последовательно соединенные ячейки в каждом канале. Далее в статье представлены расчеты номинальных характеристик схемы. В реальных условиях ток заряда будет колебаться в зависимости от изменений сетевого напряжения, импеданса трансформатора, остаточного заряда аккумулятора, импеданса аккумулятора и условий окружающей среды.

Микроконтроллер PIC10F222 был выбран из-за компактных размеров и невысокой стоимости. У него имеются два полноценных порта ввода/вывода и один порт, который можно использовать только в качестве входа. Внутренний генератор формирует тактовый сигнал 4 МГц, Timer0 выступает в роли базового таймера, встроенный аналого-цифровой преобразователь используется для измерения напряжений аккумуляторов.

Выводы GP0 и GP1 используются для измерения напряжения, а также для управления светодиодами совместно с GP2 (OSC). Перед началом измерений на выходе GP2 устанавливают высокий сигнал, тем самым отключая LED1 и LED2. После окончания цикла измерений на выводе GP2 устанавливают низкое напряжение, тем самым разрешая работу светодиодов.

Резисторы R5 и R6 необходимы для ограничения зарядного тока. Резисторы R1 и R2 определяют входной импеданс для АЦП. Они также предотвращают разряд аккумулятора через внутренние защитные диоды микроконтроллера. Резисторы R9 и R12 необходимы для получения стабильных результатов измерения.

Стоит особо подчеркнуть, что микроконтроллер не управляет процессом зарядки. Он всего лишь осуществляет интеллектуальный мониторинг и обеспечивает световую индикацию для пользователя, что помогает устранить недостатки, свойственные многим недорогим зарядным устройствам.

Отображение статуса заряда

В таблице 1 перечислены функции индикации, выполняемые зарядным устройством. Более сложные варианты использования светодиодов можно реализовать, изменив соответствующую процедуру программного обеспечения (ПО).

Процесс заряда начинается, когда зарядное устройство подключается к электросети, и прекращается, когда зарядное устройство отключается от сети. Если устройство обнаруживает неисправный аккумулятор, то для сброса ошибки потребуется сброс микроконтроллера. Для этого необходимо кратковременно отключить и снова подключить зарядное устройство к сети.

Расчет

Если пренебречь потреблением электронных компонентов, то можно рассчитать ориентировочную эффективность зарядного устройства:

  • КПД трансформатора обычно составляет 75%;
  • КПД полупериодного выпрямителя составляет 40%;
  • эффективность зарядки аккумулятора при 0,1 С составляет 98%.

Таким образом, общую эффективность этого зарядного устройства можно вычислить по формуле 1:

$$\eta =0.75\times 0.4\times 0.98=29\%\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Несмотря на то, что эффективность зарядного устройства составляет всего 29%, бюджетность и дополнительные интеллектуальные функции делают его привлекательным для широкого круга потребителей.

Сетевые трансформаторы с несколькими обмотками часто используются в бытовых приборах. Они отличаются низкой стабильностью напряжения, а ток в первичной обмотке для них обычно не превышает 1 А. На представленных ниже рисунках изображены осциллограммы токов и напряжений, снятые при тестировании прототипа зарядного устройства:

  • пиковое напряжение на вторичной обмотке (без нагрузки): Vp = 10,0 В;
  • пиковое напряжение на вторичной обмотке (полная нагрузка): Vp = 8,1 В.

Соответствующие среднеквадратичные значения напряжений составляют 7,07  и 5,73 В.

Нестабильность напряжения трансформатора можно вычислить по формуле 2:

$$Нестабильность=\frac{V_{без\:нагрузки}-V_{с\:нагрузкой}}{V_{с\:нагрузкой}}=\frac{10\:В-8.1\:В}{8.1\:В}=23.5\%\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Нестабильность напряжения трансформатора должна быть учтена при дальнейшем проектировании.

Среднее напряжение с учетом падения на диоде определяется по формуле 3:

$$V_{DC}=\frac{V_{m}}{\pi }-0.7\:В,\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где:

  • VDC = постоянное напряжение;
  • Vm – пиковое значение переменного напряжения;
  • 0,7 В – падение на диоде.

Таким образом, можно посчитать среднее напряжение без нагрузки (формула 4):

$$V_{DC}(без\:нагрузки)=2.5\:В\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

На первый взгляд может показаться, что столь малого среднего напряжения будет недостаточно для зарядки аккумулятора. Однако, как видно из осциллограмм, приведенных ниже на рисунке 7, заряд аккумулятора происходит во время положительной полуволны напряжения, амплитуда которого достигает 8,1 В. Таким образом, ток заряда имеет прерывистый характер. В процессе испытаний среднее напряжение на клеммах аккумулятора составило 2,74 В, а средний ток нагрузки 169 мА (спустя примерно 10 минут после зарядки).

Зарядный ток в начале процесса зарядки составляет около 200 мА и со временем падает по мере увеличения напряжения аккумулятора. Кроме того, ток заряда изменяется в соответствии с колебаниями сетевого напряжения. Следовательно, время зарядки не может быть рассчитано точно. При номинальном токе заряда 170 мА и эффективности около 80% общее время зарядки аккумулятора емкостью 2000 мА⋅ч ориентировочно составит 14 часов.

Логика работы и алгоритм

На эффективность и производительность предлагаемого зарядного устройства влияют следующие параметры:

  • допуски компонентов;
  • нестабильность выходного напряжения трансформатора;
  • погрешность АЦП;
  • воздействие окружающей среды, например, колебания сетевого напряжения и температуры;
  • пульсации полуволнового выпрямителя.

Влияние этих параметров можно минимизировать, используя алгоритм, разработанный с привлечением статистических методов. Детали этого подхода будут обсуждаться в следующих разделах. Если коротко, то напряжение на клеммах аккумулятора, измеряемое с помощью АЦП, анализируется с учетом граничных значений, полученных при статистической обработке данных, собранных в процессе тестирования. Стоит отметить, что при крупносерийном производстве необходимо самостоятельно уточнять рассчитанные в данной статье пороговые значения с учетом большого количества практических данных.

Описание логики работы

Логика работы зарядного устройства построена на использовании многозадачного автомата состояний (рисунок 5). Диспетчер задач (планировщик задач) циклично и последовательно передает управление каждой из задач, поскольку все они имеют одинаковый приоритет. Однако некоторые задачи запускаются только при выполнении ряда условий. Например, измерения АЦП выполняются через определенные промежутки времени. На рисунке 5 показаны основные модули конечного автомата. Детальное обсуждение работы автоматов состояния выходит за рамки этой статьи, подробную информацию по данному вопросу можно получить из источников, приведенных в списке литературы.

Рис. 5. Блок-схема алгоритма работы зарядного устройства

Рис. 5. Блок-схема алгоритма работы зарядного устройства

Для реализации программных функций используются следующие ресурсы микроконтроллера PIC10F222:

  • память программ: 512 слов;
  • память данных: 23 байта;
  • программный счетчик: девятибитный.

При использовании инструкции CALL старший бит программного счетчика (PC) всегда сброшен, поэтому вызовы или переходы ограничены ближайшими 256 адресами памяти. В операторе GOTO используются все биты программного счетчика 8:0 и возможен доступ ко всем 512 адресам памяти. Длина стека равна 2, что ограничивает использование вложенных подпрограмм и накладывает дополнительные ограничения на инструкцию CALL.

В микроконтроллере PIC10F222 отсутствует встроенная схема сброса по питанию (BOR), поэтому для обеспечения надежной работы может потребоваться внешний супервизор. Тем не менее, для уменьшения стоимости внешний супервизор в данной схеме не использовался.

Таймер Timer0 обеспечивает системный такт 1 мс. Счетчик таймера выполняет обратный счет с последующим переключением задач. Если обратный отсчет закончен в момент, когда микроконтроллер не закончил предыдущую задачу, то переключения задач не происходит.

Разработка кода

Код алгоритма управления написан в модульной форме с использованием ассемблера MPASM™ от Microchip. Модульная организация облегчает разработку многократно используемого кода. Основные программные модули показаны на рисунке 5. Дополнительные подмодули, например, алгоритм усреднения, повышают гибкость. Однако описанные выше особенности команды CALL ограничивают количество независимых модулей. Секции кода, которые автоматически назначаются компоновщиком, не позволяют эффективно использовать память программ микроконтроллера.

Ограничения, налагаемые компоновщиком и командой CALL, можно обойти следующим образом:

  • использовать монолитный код (без возможности изменения отдельных модулей). В таком случае программные подмодули создаются внутри основного модуля и повторно вызываются командой GOTO. На рисунке 6 показан пример фактической реализации монолитного кода;
  • вручную назначать разделы кода для программных модулей, которые могут быть как независимыми, так и входить в состав основного модуля.

Рис. 6. Планировщик задач

Рис. 6. Планировщик задач

Программный модуль

В следующих разделах приведено краткое описание ключевых программных модулей.

Диспетчер задач

Диспетчер задач циклически и последовательно передает управление каждой из задач. Это называется кооперативной многозадачностью (рисунок 5). При первом подключении к электросети светодиоды включаются на одну минуту, чтобы показать пользователю, что зарядное устройство работает. После этой начальной задержки начинается полноценное выполнение алгоритма. Все задачи имеют одинаковый приоритет, и управление возвращается планировщику после выполнения каждой задачи. Разумеется, можно реализовать приоритеты на программном уровне, но в данном случае в этом нет необходимости.

Планировщик задач также решает, завершен ли цикл зарядки и устанавливает соответствующий флаг в регистре Charge_Status_Register.

Модуль подсчета времени

Единственный таймер PIC10F222 был задействован в качестве системного таймера. Он формирует системный период 1 мс. Переполнение счетчика контролируется по флагу в регистре STATUS. Модуль подсчета времени использует дополнительные программные счетчики для формирования остальных временных интервалов 100 миллисекунд, секунда, минута и час:

  • интервал 100 мс используется для мигания светодиодами при обнаружении неисправностей;
  • интервал 1 с используется для мигания светодиодами по окончании процесса зарядки;
  • интервал 1 ч необходим для измерения длительности процесса заряда.

Невозможно гарантировать, что программа сможет обнаружить каждое переполнение аппаратного таймера. Кроме того, невозможно гарантировать, что программные счетчики будут инкрементироваться в нужный момент, так как они зависят от системного таймера. Если переполнение таймера происходит в момент, когда программа выполняет другую задачу, например, процедуру MEASURE, тогда это переполнение будет пропущено. Более того, время выполнения подпрограммы MEASURE также зависит от ряда условий. Однако погрешность измерения времени оказывается незначительной по сравнению с длительностью зарядки (14 часов) и интервалом измерений АЦП (1…2 минуты).

Модуль измерений

Этот модуль отвечает за измерение напряжения аккумуляторов на обоих каналах. Так как сам по себе процесс заряда является очень медленным, достаточно будет выполнять измерения раз в минуту или даже реже. Наличие аккумулятора в каждом канале регулярно проверяется в случае, если аккумулятор был удален или если аккумулятор имеет внутреннее короткое замыкание. Если в течение заданного времени аккумулятор не был обнаружен, то дальнейшие измерения не выполняются, и модуль индикации покажет состояние «нет аккумулятора». Разработчик должен предусмотреть такую конструкцию зарядного устройства, которая не позволит потребителю вставлять или заменять батареи в процессе заряда.

Микроконтроллер выполняет по 16 последовательных измерений для каждого канала, а алгоритм усреднения обеспечивает фильтрацию шума. Эти усредненные значения сохраняются для последующей обработки.

Сохраненные значения напряжения анализируются для определения возможных неисправностей. Если измеренные напряжения выходят за пределы предварительно определенных границ, устанавливаются соответствующие флаги. Границы и методы обнаружения неисправностей были определены с привлечением статистических методов. Краткое описание используемых статистических методов находится в следующих разделах.

Модуль индикации

Этот программный модуль отвечает за управление светодиодами (таблица 1). При входе в эту процедуру на выводе GP2 устанавливается низкий уровень. Порты GP0 и GP1 настраиваются на выход. Решение о включении определенного светодиода и/или выборе подходящей частоты мигания светодиода основывается на флагах двух регистров: Charge_Status_Flag и Time_Keeper_Flag. Эти флаги устанавливаются или сбрасываются в модуле подсчета времени и в модуле измерений.

Моделирование в PROTEUS И MPLAB® SIM

Моделирование зарядного устройства проводилось в Proteus и MPLAB SIM. Proteus представляет собой программный пакет, который позволяет создавать принципиальную схему, выполнять интерактивное моделирование и трассировать печатную плату. Proteus может использоваться автономно или совместно с MPLAB® IDE. Как правило, MPLAB IDE генерирует сообщения об ошибках, связанные с синтаксисом, в то время как Proteus отображает ошибки, связанные с настройками конфигурации устройства, например, ошибки конфигурации АЦП и так далее. Он также предоставляет пользователю ряд виртуальных инструментов, таких как осциллографы, вольтметры и амперметры.

Proteus оказывается по-настоящему бесценным инструментом, так как позволяет выполнить около 60% разработки и тестирования программного обеспечения даже при отсутствии аппаратного прототипа.

MPLAB SIM помогает устранить проблемы, связанные с АЦП и синхронизацией, с помощью отладочной платы AC162070.

Тестирование

В ходе тестирования каждый модуль содержал основной и тестовый код. Однако ограничения памяти, о которых говорилось выше, не позволяли использовать этот подход в полной мере. Таким образом, заключительный этап тестирования должен был проводиться с использованием отладочной платы.

Экспериментальные результаты

На рисунке 7 показаны осциллограммы зарядного тока, выходного напряжения трансформатора и напряжения на клеммах аккумулятора. Измеренные значения хорошо согласуются с расчетными величинами. Небольшие отклонения были вызваны искажением формы сигнала на выходе трансформатора. Эти искажения, в свою очередь, объясняются несовершенной формой сетевого напряжения и разбросом характеристик понижающего трансформатора.

Рис. 7. Диаграммы напряжений и тока зарядного устройства

Рис. 7. Диаграммы напряжений и тока зарядного устройства

Измерение напряжения

Точность измерения напряжения имеет решающее значение для эффективной работы алгоритма. Когда аккумулятор подключен к зарядному устройству, колебания напряжения на входе АЦП оказываются незначительными. Однако когда аккумулятор отсутствует, напряжение на входе АЦП изменяется очень сильно, в соответствии с изменениями сетевого напряжения. Анализ поведения напряжения используется для определения подключения/отключения аккумуляторов, а также для распознавания аварийных ситуаций, например, подключения обычных незаряжаемых батареек.

Точность АЦП имеет большое значение. И хотя разработчик не может повлиять на точность АЦП, погрешность и разрешение рассчитать вполне можно.

Ошибка АЦП

Параметры погрешности измерений АЦП приведены в документации на микроконтроллер:

  • EIL (интегральная нелинейность) = ± 1,5 LSB;
  • EDL (дифференциальная нелинейность )= -1 < EDL < + 1,5 LSB;
  • EOFF (ошибка смещения) = ± 1,5 LSB;
  • EGN (ошибка усиления) = ± 1,5 LSB.

По формуле 5 можно рассчитать величину полной ошибки:

$$Полная\:ошибка=\sqrt{E_{IL}^2+E_{DL}^2+E_{OFF}^2+E_{GN}^2}=\sqrt{13.5}\approx 3\:бита\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

После 15 минут заряда суммарное среднее напряжение пары первоначально разряженных NiMH-аккумуляторов достигает 2,72 В. Измерения, выполняемые с помощью микроконтроллера, хорошо согласуются с показаниями вольтметра. В нашем случае размер выборки из 20 случайных измерений считался достаточным для выполнения статистического анализа.

Из-за малого тока зарядки напряжение аккумулятора увеличивалось очень медленно и достигло пикового значения 2,92 В только через 14 часов. На рисунке 8 показаны графики напряжения и тока зарядного устройства, снятые в течение 15 часов. График тока имеет зашумленный вид, что объясняется нестабильностью сетевого напряжения.

Рис. 8. График заряда

Рис. 8. График заряда

Статистический анализ

Точность измерений напрямую влияет на эффективность алгоритма, реализованного в предлагаемом устройстве. Нестабильность измеряемого напряжения, обусловленная рядом факторов, описанных в предыдущих разделах, представляет собой серьезную проблему с точки зрения получения приемлемых результатов при одновременном сохранении бюджетности изделия. Следовательно, необходимо не только измерять напряжение на аккумуляторе, но и анализировать его с привлечением статистических методов. Такой подход позволит минимизировать проблемы, связанные с влиянием конструкции, технологическими процессами и используемыми компонентами и материалами.

Для получения дополнительной информации о применении статистических методов следует обратиться к источникам, приведенным в списке литературы.

Предложенная методика использует анализ способности процесса (машины) (Process (Machine) Capability Analysis) для определения оптимальных граничных значений алгоритма предлагаемого зарядного устройства. Как правило, устройство, соответствующее требованию шести сигм, считается приемлемым. В нашем случае параметром (переменной) является напряжение на клеммах аккумулятора, выраженное в виде показаний АЦП.

Для дальнейшего анализа необходимо кратко определить основные термины:

  • Номинальное значение (nominal) – расчетное или требуемое значение;
  • Дельта (delta) – допуск;
  • Нижний предел спецификации (LSL) – номинальное значение минус допуск;
  • Верхний предел спецификации (USL) – номинальное значение плюс допуск;
  • Медиана (µ, mean)– наиболее вероятное значение переменной (математическое ожидание);
  • Стандартное отклонение (σ, sigma), также называемое «сигмой» – мера отклонения;
  • Индекс возможностей процесса (Cpk) – мера возможностей процесса. Чтобы коммерческий продукт, не связанный с безопасностью, отвечал стандарту шести сигм, необходимо, чтобы его индекс Cpk был не менее 1,33.

Измерение напряжения исправных NiHM-аккумуляторов

После 15 минут зарядки напряжение первоначально разряженного аккумулятора достигает значения примерно 2,72 В. При использовании опорного напряжения 3,3 В, напряжение 2,72 В будет соответствовать коду 211 на выходе АЦП. Спецификация для напряжения определяется следующим образом:

  • номинал = 211;
  • дельта = 3 (погрешность АЦП, согласно формуле 5).

Измеренные значения были проанализированы и построены в виде графика с привлечением оценочной версии программы статистического анализа STATISTICA от Statsoft Inc. Статистическое распределение и рассчитанные значения процесса показаны на рисунке 9. Полученные показатели (таблица 2) не соответствовали требованиям нормального распределения и требуемому индексу возможностей процесса (индекс Cpk был менее 1,33). Метод аномальной характеризации Джонсона-Пирсона также не обеспечивает приемлемый Cpk.

Рис. 9. Статистическое распределение без коррекции

Рис. 9. Статистическое распределение без коррекции

Таблица 2. Характеристики процесса

-3,000×Sigma =189,167 +3,000×Sigma = 232,533
Параметр Значение
Нижняя граница (LSL) 208
Номинальное значение (Nominal) 211
Верхняя граница (USL) 214
CP (Potential Capability) 0,1384
Сигма (σ, Sigma) 7,22769
CR (Capability Ratio) 7,2277
CPK (Demonstrated Excellence) 0,1314
CPL (Lower Capability Index) 0,1314
CPU (Upper Capability Index) 0,1453
K (Non-Centering Correction) 0,05
CPM (Potential Capability II) 0,1383

В таблице 3 представлен расчет вероятности того, что значения измерений выйдут за границы спецификации. Учитывая значительную вероятность возникновения ошибок, было принято решение расширить нижний и верхний пределы спецификации (LSL и USL), чтобы соответствовать стандарту шести сигм.

Таблица 3. Вероятность выхода измерений за границы спецификации

Параметр Полученное значение Полученный процент Ожидаемое значение Ожидаемый процент
Выше USL: 5 25 6,62964 33,14822
Ниже LSL: 7 35 6,93347 34,66735
Итого 12 60 13,56311 67,81557

С учетом полученных результатов (рисунок 9) пределы спецификации были переопределены следующим образом:

  • нижний предел спецификации (LSL) = 185;
  • верхний предел спецификации (USL) = 235.

На рисунке 10 показаны результаты расчета с использованием переопределенных пределов спецификации.

Рис. 10. Расчет с новыми предельными значениями

Рис. 10. Расчет с новыми предельными значениями

При использовании новых пределов расчетное значение Cpk оказалось выше значения 1,33, требуемого стандартом шести сигм (таблица 4). Расчет вероятности того, что некоторые измерения выйдут за границы спецификации, представлен в таблице 5. Полученная вероятность является приемлемой, и пересмотренные значения LSL и USL были использованы в качестве граничных условий в алгоритме.

Таблица 4. Характеристики процесса с новыми значениями пределов

Параметр Нормальное распределение
Нижняя граница (LSL) 185
Номинальное значение (Nominal) 211
Верхняя граница (USL) 235
Нижнее значение: 1,135 198,9559
Медиана (50%): 50,000 210,85
Верхнее значение: 99,865 222,7441
CP (Potential Capability) 2,1019
Сигма (σ, Sigma) 7,22769
CR (Capability Ratio) 0,4758
CPK (Demonstrated Excellence) 2,0304
CPL (CP, lower) 2,1733
CPU (CP, upper) 2,0304
K (non-centering correction) 0,034

Таблица 5. Вероятность выхода измерений за границы новой спецификации

Полученное значение Полученный процент Ожидаемое значение Ожидаемый процент
Выше USL: 0 0 0,008338 0,041691
Ниже LSL: 0 0 0,003482 0,01741
Итого 0 0 0,01182 0,059101

Измерение напряжения при отсутствии аккумулятора

Чтобы обнаружить отсутствие аккумулятора, крайне важно точно измерять напряжение на выходе зарядного устройства. Форма напряжения на выходе зарядного устройства при отсутствии аккумулятора показана на рисунке 11.

Рис. 11. Осциллограмма напряжения на выходе зарядного устройства при отсутствии аккумулятора

Рис. 11. Осциллограмма напряжения на выходе зарядного устройства при отсутствии аккумулятора

Отрицательный выброс напряжения, вызванный включением встроенного защитного диода PIC10F222, можно устранить с помощью дополнительных резисторов, подтягивающих входы АЦП к земле. Итоговая форма напряжения представлена на рисунке 12.

Рис. 12. Осциллограмма напряжения на выходе зарядного устройства при отсутствии аккумулятора (схема с подтягивающими резисторами)

Рис. 12. Осциллограмма напряжения на выходе зарядного устройства при отсутствии аккумулятора (схема с подтягивающими резисторами)

Статистическое распределение результатов измерений при отсутствии аккумулятора показано на рисунке 13. Идеальная спецификация с учетом параметров АЦП имеет вид:

Рис. 13. Статистическое распределение при отсутствии аккумулятора

Рис. 13. Статистическое распределение при отсутствии аккумулятора

  • номинал = 0;
  • верхний предел спецификации (USL) = 3.

Очевидно, что для такой спецификации полученное распределение не является нормальным и не будет отвечать стандарту шести сигм.

Распознавание отсутствия аккумулятора и обнаружение неисправностей

Таблица 6 будет полезна при разработке алгоритма обнаружения аварийных ситуаций. Стандартное отклонение 7,23, полученное в результате испытаний, используется для составления таблицы распределения. Алгоритм должен распознавать следующие состояния:

  • аккумулятор не подключен;
  • подключен разряженный аккумулятор;
  • подключен полностью заряженный аккумулятор;
  • подключена незаражаемая батарея;
  • подключен закороченный или неисправный аккумулятор.

Логика принятия решения для обнаружения вышеуказанных условий поясняется на рисунке 14.

Рис. 14. Логика принятия решений при обнаружении неисправностей

Рис. 14. Логика принятия решений при обнаружении неисправностей

Таблица 6. Статистическое распределение измерений АЦП

Значение Низкий заряд аккумулятора Полный заряд аккумулятора Аккумулятор отсутствует Установлена незаряжаемая батарейка
0 +
7,23 +
14,46 +
21,69 +
28,92 +
36,15 +
43,38 +
50,61 +
57,84 +
65,07 +
72,3 +
79,53 +
86,76 +
93,99 +
101,22 +
108,45 +
115,68 +
122,91 +
130,14 +
137,37 +
144,6 +
151,83 +
159,06 +
166,29 +
173,52 +
180,75 +
187,98 + +
195,21 + +
202,44 + + +
209,67 + + +
216,9 + + +
224,13 + + +
231,36 + + + +
238,59 + + + +
245,82 + + +
253,05 + + +
260,28 Данный регион находится за пределами 8-битного ограничения (максимальное значение 255) и возвращаемое значение будет 0xFF.
267,51
274,74
281,97

Распознавание отсутствия аккумулятора

При отсутствии аккумулятора показания АЦП могут принимать любые значения в диапазоне 0…255. Однако микроконтроллер формирует состояние «аккумулятор отсутствует» и включает соответствующий светодиод только в тех случаях, когда напряжение оказывается ниже определенного граничного значения. В текущей версии прошивки нижняя граница была задана на уровне 50 (код АЦП). Дальнейшие измерения по этому каналу не выполняются, пока зарядное устройство не будет перезапущено (отключено и повторно включено в розетку).

Обнаружение неисправностей

Предлагаемый алгоритм способен распознавать следующие нештатные ситуации:

  • установка незаряжаемых батарей;
  • установка полностью заряженных аккумуляторов;
  • установка закороченных аккумуляторов.

Возможные показания АЦП перекрываются в случаях установки незаряжаемых батареек и полностью заряженных аккумуляторов, что усложняет алгоритм распознавания. Чтобы исключить возможность ошибки, алгоритм выполняет регулярные повторные выборки в течение некоторого периода времени с параллельным увеличением счетчика, как показано на рисунке 14. Если в течение этого периода повторное состояние неисправности повторится, алгоритм активизирует соответствующую индикацию. Приемлемый диапазон для исправных аккумуляторов ограничен возможными напряжениями:

  • Vmin – минимально возможное напряжение аккумулятора;
  • Vmax – максимальное напряжение аккумулятора.

Распознавание незаряжаемых батареек

Обычные незаряжаемые батареи имеют номинальное напряжение 1,5 В, а включение двух последовательных батарей обеспечит удвоенное суммарное напряжение, которое в некоторых случаях превысит 3,0 В. Таким образом, в процессе измерений АЦП вернет значение 0xFF. Если батарейка разряжена, то ее напряжение будет меньше 1,5 В. Однако напряжение на клеммах быстро возрастет даже при пропускании небольшого зарядного тока. Если батарейку вовремя не извлечь, то это неизбежно приведет к росту давления и к возможному разрушению корпуса элемента питания.

Полностью заряженные аккумуляторы

Быстрые зарядные устройства анализируют профиль изменения тока и напряжения и при полной зарядке аккумулятора уменьшают зарядный ток до минимального значения (для дальнейшей компенсации саморазряда аккумулятора). Однако в предлагаемом решении не выполняется контроль тока. По этой причине для распознавания момента окончания зарядки была реализована упрощенная логика.

Если напряжение на клеммах превышает установленное пороговое значение Vmax в течение заданного времени, алгоритм устанавливает флаг ошибки в регистре FAULT_COUNTER_HIGH и включает светодиод, сигнализирующий о неисправности.

Алгоритм не способен различать между собой незаряжаемые батареи и полностью заряженные аккумуляторы, так как диапазоны напряжений в этих случаях перекрываются. Однако можно считать вполне приемлемым вариант, при котором алгоритм активирует предупреждающий светодиод при обнаружении полностью заряженного NiMH-элемента.

Закороченные аккумуляторы

Аккумуляторы со внутренним коротким замыканием будут иметь напряжение 0 В, и даже после некоторой зарядки их напряжение не превысит 0,9 В. К сожалению, не существует быстрого и абсолютно надежного метода, позволяющего быстро отличить закороченный аккумулятор от разряженного. По этой причине алгоритму требуется больше времени для обнаружения этой неисправности, по сравнению с рассмотренными выше случаями полностью заряженного аккумулятора и незаряжаемой батареи.

Если спустя определенный интервал времени напряжение на клеммах по-прежнему оказывается ниже порогового значения Vmin, алгоритм устанавливает флаг ошибки в регистре FAULT_COUNTER_LOW. Стоит отметить, что эта функция не создает ложных срабатываний и никак не мешает нормальному заряду исправных полностью разряженных никель-металлогидридных аккумуляторов.

Трассировка печатной платы

Зарядное устройство было реализовано с привлечением легко доступных SMD-компонентов и микроконтроллера PIC10F222 (корпус SOT23). На рисунке 15 представлен внешний вид однослойной печатной платы зарядного устройства. На рисунке 16 поясняется расположение компонентов на печатной плате.

Рис. 15. Однослойная печатная плата зарядного устройства

Рис. 15. Однослойная печатная плата зарядного устройства

Рис. 16. Размещение компонентов на печатной плате

Рис. 16. Размещение компонентов на печатной плате

Анализ полученных результатов

Итак, мы рассмотрели простое и недорогое интеллектуальное зарядное устройство. В процессе создания надежного алгоритма широко применялись методы статистического анализа. В будущих проектах предложенный алгоритм может быть усовершенствован для распознавания большего числа аварийных ситуаций. Модульная организация кода облегчает масштабируемость проекта.

С учетом колебаний напряжения и уменьшения зарядного тока в процессе зарядки предлагаемое трансформаторное зарядное устройство, работающее от бытовой сети 50/60 Гц, способно полностью зарядить аккумулятор емкостью 2000 мА⋅ч током 0,1С примерно за 14 часов.

В настоящее время на рынке присутствуют аккумуляторы с емкостью 2600 мА⋅ч. Для ускорения их заряда может потребоваться увеличение зарядного тока. Разумеется, проблему можно решить за счет использования более мощного трансформатора, однако это не всегда оправданно с точки зрения увеличения веса и габаритов. В качестве альтернативы следует рассмотреть возможность использования импульсного источника питания. Однако в таком случае потребуется уделить дополнительное внимание проблемам ЭМС, требованиям безопасности и взаимодействию с микроконтроллером PIC10F в условиях ограниченного пространства.

Практический смысл также имеет разработка универсального устройства, способного работать с различными сетевыми напряжениями. Такое устройство будет востребовано у людей, активно путешествующих по миру.

Литература

  1. Journal of Power Sources 112 (2002)298-306. An experimental and modelling study of isother-mal charge/discharge behaviour of commercial NiMH cells. Y.H.Pan, V.Srinivasan, C.Y.Wang – Elsevier B.V.
  2. Embedded Multitasking. Newnes Publishing Keith Curtis.
  3. Six Sigma Producibility Analysis and Process Characterization. Mikel J.Harry, J.Ronald Law-son.
  4. STATISTICS. Methods and Applications, Statsoft Ltd. Thomas Hill, Pawel Lewicki. И это тоже книга
  5. StatSoft, Inc. (2012). STATISTICA (Data Analysis Software System), version10, www.statsoft.com
  6. Pergamon, Electrochimica Acta 44(1999) 4525 – 4541, Modeling Discharge and Charge Characteristics of Nickel-Metal Hydride Batteries. W.B.Gu, C.Y.Wang, S.M.Li, MM.Geng, B.Y.Liaw. 
  7. AN960, “New Components and Design methods Bring Intelligence to Battery Charger Applica-tions” – Terry Cleveland, Catherine Vannicola, Microchip Technology Inc.
  8. AN1088, “Selecting the Right Battery System for Cost Sensitive Portable Applications While Maintaining Excellent Quality” – Brian Chu, Microchip Technology Inc.
  9. AN1384, “NiMH Battery Charger Application Library”. Mihnea Rosu-Hamzescu; Microchip Technology Inc.
  10. AN1137, “Using the MCP1631 Family to Develop Low-Cost Battery Chargers”. Terry Cleveland; Microchip Technology Inc.

Оригинал

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Microchip

Microchip Technology Inc. - ведущий поставщик микроконтроллеров, схем смешанного сигнала, аналоговых полупроводников и решений на основе флэш-IP. Решения Microchip обеспечивают разработку с низким уровнем риска, снижают общую стоимость системы и сокращают время выхода на рынок для тысяч различных клиентских приложений по всему миру. Штаб-квартира в Чандлер, штат Аризона. Продукция Microchip обладает высокими качеством и уровнем технической поддержки. Продукция Microchip обладает высоким уровн ...читать далее

Товары
Наименование
PIC10F222T-I/OT (MCRCH)
PIC10F222T-E/OT (MCRCH)
PIC10F222-I/P (MCRCH)
PIC10F222-E/P (MCRCH)
PIC10F222T-I/MC (MCRCH)
PIC10F222-I/MC (MCRCH)
PIC10F222-E/MC (MCRCH)
MCP16311T-E/MS (MCRCH)
MCP16311T-E/MNY (MCRCH)
MCP16312-E/MS (MCRCH)
MCP16312T-E/MS (MCRCH)
MCP16311-E/MS (MCRCH)
MCP1631-E/ML (MCRCH)
MCP1631T-E/ML (MCRCH)
AC162070 (MCRCH)