Новая технология точного измерения уровня заряда аккумулятора

Бакул Дамле (Maxim Integrated)

Смартфоны и «умные часы», фитнес-трекеры и игровые мобильные консоли, которые мы используем каждый день, настолько распространились, что можно сказать, мы живем в мире, питающемся от батареек. По прогнозам Global Industry Analysts, Inc., мировой рынок портативных устройств с батарейным питанием к 2020 году вырастет до 865,4 млрд. US $. Неудивительно, что технология измерения уровня заряда аккумуляторов стала настолько актуальной. Каждому из нас важно точно знать, сколько времени проработает аккумулятор в нашем электронном устройстве до следующей подзарядки.

Поскольку температура и уровень нагрузки сильно влияют на выходное напряжение, измерение уровня заряда обычно оказывается непростой задачей. Например, напряжение может существенно изменяться из-за нагрузки и температуры. Кроме того, изменение напряжения или релаксация напряжения разомкнутой цепи OCV (open-circuit voltage) могут иметь слишком большую задержку. Рассмотрим подробнее различные методы измерения уровня заряда, их сильные и слабые стороны.

Почему измерение уровня заряда занимает так много времени?

Реализация традиционного метода измерения уровня заряда представляет собой длительный процесс. Специалист по электропитанию или аккумуляторам обращается к поставщику датчика заряда, чтобы найти подходящую математическую модель для своего аккумулятора. Поскольку зарядная характеристика зависит от типа аккумулятора, то конечная модель должна подходить к конкретному типу элемента питания. Для этого необходимо получить характеристики аккумулятора при различных нагрузках и температуре. Специалист по электропитанию/аккумуляторам должен либо использовать специализированное тестовое оборудование на своем собственном производстве, либо отправить свой элемент питания поставщику датчика для определения характеристик. После того как эти пункты будут выполнены, специалист может взять полученную модель, подключить аккумулятор к датчику заряда, провести проверку и завершить разработку.

Самый простой метод измерения уровня заряда использует мгновенное напряжение. Этот метод позволяет добиться высокой точности только если аккумулятор находится в отключенном состоянии более двух часов. По этой причине такая технология оказывается непрактичной. Кроме того, мгновенное напряжение – не лучший показатель уровня заряда аккумулятора SOC (state of charge), так как зависит от материалов ячеек и от температуры.

Метод интегрирования токов (Coulomb counting) используется, если необходима высокая точность при краткосрочных измерениях, поскольку присутствующие небольшие погрешности оказывают незначительное влияние. В данном случае происходит постоянное измерение втекающих и вытекающих токов аккумулятора с суммированием результатов. Полученное значение вычитается из полного заряда, который может хранить аккумулятор, в результате получается оставшийся заряд. Однако метод интегрирования токов имеет некоторые недостатки, в частности, при выполнении измерений в течение длительного времени результаты искажаются из-за накопления ошибок измерений. В качестве примера рассмотрим работу аккумулятора емкостью 1000 мА·ч. При периодических интервалах с нагрузкой 50 мА, за которыми следуют длительные периоды ожидания с почти нулевым током, батарея разряжается в течение четырех дней.

Предположим, что интегратор имеет погрешность 1 мА (например, если для измерения тока используется АЦП со смещением 10 мкВ и измерительное сопротивление 10 мОм). Накопленная за четыре дня ошибка составит 96мА·ч. Для аккумулятора 1000 мА эта погрешность эквивалентна почти 10% емкости. Как видите, кажущаяся небольшая погрешность, накапливаясь в течение длительного времени, приводит к низкой точности измерений. В результате устройство может преждевременно или внезапно отключиться. Чтобы метод интегрирования токов был эффективным, требуется постоянная коррекция, которая, как правило, выполняется, когда аккумулятор заряжен, находится в режиме ожидания или полностью разряжен.

Метод интегрирования токов имеет и другие недостатки. Поскольку датчик «не знает», что считать полным зарядом или разрядом, то для правильной оценки системой состояния аккумулятора он должен работать в цикле полного заряда и разряда. В реальной жизни пользователи редко ждут, пока аккумулятор полностью разрядится, поэтому циклы с полным перезарядом происходят нечасто.

Более простой и недорогой метод оценки уровня заряда

Современные микросхемы способны определять уровень SOC, используя только напряжение, что намного проще и дешевле, чем измерение и интегрирование токов. Новые алгоритмы используют связь между SOC и OCV. Такая технология работает в режиме реального времени, учитывает нелинейное поведение и временные эффекты в аккумуляторе, обеспечивает высокоточные результаты без измерения тока. С ее помощью даже можно оценить OCV, когда аккумулятор находится под нагрузкой, используя характеристики батареи и моделирование в реальном времени.

Новые ИС датчиков заряда, представленные на рынке, сочетают традиционный метод интегрирования токов с новым алгоритмом оценки заряда, еще более повышающим точность. Такие датчики используют метод интегрирования тока, внося небольшие корректировки по мере необходимости. Если в традиционных интеграторах полная ошибка растет с течением времени из-за накопления погрешностей измерений, то новая технология измерения заряда лишена этого недостатка и не накапливает ошибки.

В результате удается добиться высокой точности как при коротких, так и при длительных циклах измерений. В последних моделях таких микросхем для настройки используется специальная утилита, которая позволяет разработчикам выбирать параметры приложения, такие как напряжение заряда, напряжение разряда и ток отключения. Используя эти характеристики, программа генерирует модель, которая хорошо работает для большинства типов популярных аккумуляторов.

Точное измерение уровня заряда без использования модели аккумулятора

Компания Maxim Integrated предлагает микросхемы для измерения уровня заряда, использующие фирменную технологию ModelGauge, которая обеспечивает лучшую точность определения SOC, максимальную продолжительность работы батареи, быстрое время выхода на рынок и высокий уровень безопасности и надежности при сохранении компактных размеров. Алгоритм ModelGauge конвертирует результаты электрических измерений, получаемых в реальном времени, в значения SOC, выраженные в процентах, и в другую информацию об аккумуляторе. Используя адаптивные механизмы, датчик заряда способен изучать характеристики аккумуляторов, чтобы в дальнейшем повышать точность измерений. Последняя версия данной технологии избавляет от необходимости использования индивидуальных моделей аккумуляторов, обеспечивает возможность конфигурации, а также использует дополнительные функции для прогнозирования старения элемента питания. В качестве примера можно рассмотреть MAX17055 – малопотребляющий (7 мкА) одноячеечный датчик заряда производства Maxim, использующий алгоритм, позволяющий отказаться от построения модели аккумулятора и обеспечивающий устойчивость к возможным отклонениям параметров большинства литиевых аккумуляторов (рисунок 1).

Рис. 1. MAX17055 – малопотребляющий (7 мкА) одноячеечный датчик заряда производства Maxim

Рис. 1. MAX17055 – малопотребляющий (7 мкА) одноячеечный датчик заряда производства Maxim

Заключение

Точное измерение уровня заряда аккумулятора в портативных устройствах с батарейным питанием имеет решающее значение для комфортного процесса эксплуатации. Традиционная технология измерения уровня заряда требовала много времени для построения модели аккумулятора, поскольку датчики должны были быть совместимы с каждым конкретным элементом питания. Новые микросхемы датчиков заряда, использующие современные алгоритмы, обеспечивают высокоточное измерение SOC без построения моделей аккумуляторов.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX17055ETB+ (MAX)
MAX17055EWL (MAX)
MAX17055ETB (MAX)
MAX17055EWL+ (MAX)
MAX17055EWL+T (MAX)
MAX17055XEVKIT# (MAX)