Jste zde

Kilometrovník s palivoměrem pro nabíjecí baterie v novém

Jan Robenek, 17. Říjen 2011 - 0:00

Maxim představil kompaktní podpůrný obvod pro ještě přesnější odhad zbývající kapacity článků typu Li+ s novým algoritmem ModelGauge m3 pro vyloučení nežádoucích a mnohdy také nepředvídatelných skokových změn SOC.

Ve společnosti Maxim s velkou slávou představili integrovaný obvod, označený jako

MAX17047,
ModelGauge m3 Fuel Gauge,

tj. něco jako indikátor množství zbývajícího „paliva“ v napájecích zdrojích, využívajících jeden článek baterie typu Li+. Díky zapracování nového firemního algoritmu s názvem ModelGauge m3 se tak tyto struktury stávají jediným, „coulomby počítajícím“ indikátorem ve své třídě, který nebude trpět z titulu náhlých a neočekávaných oprav, provázejících klasické algoritmy (v dalším textu budeme pro ustálené slovní spojení coulomb-counting / coulomb-counter používat zkratku CC).

V porovnání s jinými CC navíc budou integrované obvody s technologií ModelGauge m3 využívat menší rezistory pro snímání velikosti protékajícího proudu a vystačí si také s menším počtem vnějších součástek. Prvek se hodí pro odpovídající vyhodnocování „kondice“ celé řady přenosných systémů, napájených z jediného článku, případně také i většího počtu baterií typu Li+, včetně nejrůznějších bezdrátových aplikací, dálkových ovládání, sluchátek, smartphonů, tabletů, e – čteček, herních zařízení / přehrávačů, digitálních fotoaparátů, terminálů, navigací či lékařské elektroniky.

Přijměte výzvu a zlepšete přesnost, se kterou stanovíte zbývající kapacitu baterie, zatímco minimalizujete náklady a také zastavěný prostor na DPS

Tradiční „palivoměry“ pro články typu Li+ se osazují přímo do pouzdra dané baterie kde vyžadují hromadnou podporu ze strany diskrétních součástek. Budeme – li pak chtít odhadnout zbývající kapacitu baterie, musíme se spolehnout na systém CC. Takové countery však mají problém, způsobený malými chybami offsetu použitého A/D převodníku, které se nám ale budou pěkně akumulovat a to po dobu neurčitou. Chceme – li pak provést korekci těchto driftů, budeme potřebovat velké a také nákladné snímací rezistory. Kromě toho se článek musí pravidelně dostávat do stavů plného nabití (Full), vybití (Empty) či pohotovosti (Standby).

Některé poslední zlepšovací návrhy zapracovaly zmíněnou vyhodnocovací funkci na stranu systému, tzn. již ne do pouzdra baterie. Přestože takové řešení snižuje cenu konkrétní aplikace, bude mít jen malý dopad na zastavěnou plochu na DPS, protože se dost možná stále nezbavíme velkých rezistorů pro snímání velikosti protékajícího proudu.

Konečně v současné době dostupné algoritmy, uvádějící takové drifty „na pravou míru“, provází nežádoucí vedlejší účinek: Vnáší totiž do SOC (state of charge) neočekávané skoky. Důvod je prostý – použitý algoritmus totiž závisí na měření napětí baterie v režimu standby a následné korekci na základě souvztažnosti napětí článku naprázdno OCV (open-cell voltage) vůči SOC baterie.

Technologie ModelGauge m3: Přesné a hospodárné poměřování článků typu Li+

Technologie ModelGauge m3 překonává omezení aktuálně dostupných monitorovacích postupů. Spojuje totiž vynikající krátkodobou přesnost a linearitu CC s neobyčejnou dlouhodobou stabilitou poměřování, založeného na napětí. ModelGauge m3 anuluje chybu vznikající akumulací offsetu v CC, zatímco umožňuje dosahovat lepší krátkodobé přesnosti než kterýkoli jiný systém, vycházející pouze z napětí. Takový algoritmus provádí nepřetržité nepatrné korekce v čase a tudíž netrpí na neočekávané opravy, které se obvykle ve spojitosti s algoritmy CC vyskytují.

Firemní algoritmus nepřetržitě provádí nepatrné korekce v čase a tudíž netrpí na neočekávané opravy, které se obvykle ve spojitosti s algoritmy CC vyskytují

Vzhledem k tomu, že algoritmus ModelGauge m3 snižuje citlivost vůči chybě offsetu proud měřícího A/D převodníku, mohou obvody MAX17047 využívat menší rezistory pro snímání velikosti protékajícího proudu bez toho, aby docházelo k nějakým kompromisům ve věci přesnosti odhadu SOC (state of charge) baterie.

MAX17047 také dokáže provádět automatické kompenzace s přihlédnutím ke stárnutí článků, teplotě či rychlosti vybíjení. Sděluje nám přitom přesnou zbývající kapacitu v mAh či % (SOC) a také dobu do úplného vybití – to vše v širokém rozsahu provozních podmínek. Jeho spotřeba se od konkurence liší o pozitivních 75 % a to i v případě, že se bude přizpůsobovat změnám baterie, způsobeným jejich používáním nebo také časem, a upozorňovat na abnormální okolnosti. Obvod pro svá hlášení o stáří / kondici baterie využívá dvě metody: Jedná se o

zmenšování kapacity a
počítadlo cyklů (odometr).

Integrovaný obvod podporuje přesná měření proudu, napětí a také teploty. Teplotu článku přitom vyhodnocuje vnějším termistorem s podporou poměrového měření na pomocném vstupu. Bude – li však informace o teplotě dostupná jiným způsobem, může systémový mikrokontrolér takový údaj zapisovat přímo do integrovaného obvodu. Zbavíme se tak požadavku na termistor plus rezistor a kondenzátor, které jinak tvoří nezbytnou vnější síť.

Společnost Maxim dodává svůj obvod MAX17047 již nakalibrovaný. Snižuje tak složitost výrobních postupů a také samotnou cenu – odpadá totiž potřeba kalibrace na výrobní lince koncového produktu (viz také poslední tři části 16dílného seriálu Návrh PLC očima vývojáře - Kalibrace a korekce výrobních tolerancí, vydaného na hw.cz).

Obvody s technologií ModelGauge m3 lze osazovat na systémové straně – místo toho, že by nutně byly součástí bateriového packu. Výrobce daného systému tak může řídit veškeré náklady a minimalizovat přitom spletitá omezení napájecího řetězce. Konec konců, výrazně tím zredukujeme i výdaje na samotnou baterii jako celek.

Jedna výhoda za druhou pro přenosné systémy, „živené“ z baterie

MAX17047 si zakládá na nejnižším proudovém odběru ve své třídě – typ. 25 µA, což představuje 75procentní rozdíl oproti konkurenci – čímž maximalizuje dobu provozuschopnosti daného zařízení. Vedle malého rezistoru pro snímání velikosti protékajícího proudu bude tento jednočlánkový „palivoměr“ vyžadovat pouze jeden další rezistor a tři kondenzátory, což dohromady spoustu místa určitě nezabere. Měřicí a napájecí vstupy integrovaného obvodu se připojují přímo k baterii, takže si „ulehčíme“ i od samostatného regulátoru. Strukturu si rovněž můžeme přizpůsobit pro sériové konfigurace s větším počtem baterií – použijeme přitom vnější buffer typu MAX9910.

Nad spolehlivým provozem koncového zařízení „bdí“ hned několik monitorovacích a také výstražných funkcí. Víceúčelově programovatelný výstražný indikátor varuje systémový mikrokontrolér v případě dosažení kritického napětí baterie, SOC či teplotních podmínek. Předpoklad blížícího se stavu vybité baterie tak například může odstartovat náležitou „záchrannou“ akci bloku řízení napájení. Tímto způsobem zároveň prodlužujeme i výdrž baterie, protože systémový mikrokontrolér může déle zůstat v režimu spánku bez toho, že by musel neustále prozkoumávat aktuální stavy. Struktura Maxim dále vzburcuje systém v případě neobvyklé teploty baterie a tím pomůže nastolit dlouhodobě zajištěný chod finálního systému. A to není vše: MAX17047 může také upozornit systém kdykoli dojde k vložení či vyjmutí napájecího článku, příp. s grácií (tj. elegantně) řídit sekvenci náběhu nebo vypnutí napájení.

Základní vlastnosti MAX17047:

Přesný odhad zbývající kapacity baterie
- Kompenzace teploty, stárnutí a rychlosti vybíjení
- K zachování přesnosti nevyžaduje stavy Empty, Full nebo Idle
Přesný měřicí systém
- Nevyžaduje žádnou kalibraci
Algoritmus ModelGauge m3
- Vyloučení driftu CC
- Vynikající linearita
- Přizpůsobení charakteristikám článku
- Další podrobnosti viz text
Vnější síť pro měření teploty
- Aktivně spínaný odporový dělič s termistorem
- Snížení proudové spotřeby
Malý klidový odběr
- 25 µA (aktivní režim), < 0,5 µA (režim Shutdown)
Výstražná indikace pro SOC, napětí, teplotu a případ vyjmutí / vložení baterie
Odhad zbývající kapacity článku
2drátové rozhraní (I2C)
Miniaturní provedení
- 10 vývodů, pouzdro typu TDFN, rozměry 3 mm x 3 mm, Lead (Pb) – Free

Dostupnost a cena:

MAX17047 se vyrábí v 10pinovém provedení pouzdra typu TDFN o rozměrech 3 mm x 3 mm. Se systémovým mikroprocesorem komunikuje prostřednictvím standardního 2drátového rozhraní. Pořídíme jej již od $1.24 (platí pro odběry převyšující 10 000 ks). Další podrobnosti naleznete na www.maxim-ic.com/ModelGauge.