Zamýšleli jste se někdy nad tím, proč např. akumulátor ke značkovému notebooku stojí přes tři tisíce a přitom je v něm dle parametrů šest Li-Ion článků za cenu řádově poloviční. Nebo jak Váš notebook okamžitě po vložení nové baterie tuto rozpozná a vypíše ihned jako dostupnou plnou kapacitu, i když ještě neproběhl ani jeden nabíjecí cyklus? Pokusím se to v následujícím textu trochu osvětlit, seznámím Vás s užitečnými obvody a možná někomu pomohu i trochu ušetřit.
Trocha historie
V dávných časech (tj. zhruba před 10 - 15 lety) bylo řízení nabíjení akumulátorů poměrně snadné. Tehdy běžně využívané NiCd, nebo později NiMH články, nevyžadovaly příliš zvláštní zacházení, zbývající kapacita se dala poměrně dobře určit z aktuálního napětí a nabíjení probíhalo zpravidla konstantním proudem, přičemž pro indikaci ukončení nabíjení sloužil nejprve prudký vzestup teploty, ke kterému dochází při přebíjení takového akumulátoru, popř. v modernějších konstrukcích pak obvod, detekující skokovou změnu napětí (tzv. detekce delta V). Takové akumulátory se daly relativně snadno renovovat pouhou výměnou opotřebovaných článků za vhodné nové (často klidně i s vyšší kapacitou).
Současnost
Vše se ovšem změnilo s příchodem moderních Li-Ion nebo Li-polymer článků. Takové zdroje energie mají totiž kromě pozitivních vlastností v podobě vysoké hmotnostní a objemové hustoty ukládané energie, prakticky nulového paměťového efektu a velmi nízkého samovybíjení i některá nepříjemná omezení. Zejména se jedná o vysokou citlivost na přílišné nabíjení (tzv. přebíjení), dokonce jen krátkodobé přebíjení lithiových článků vede k velmi rychlé ztrátě jejich kapacity (čili jejich trvalému poškození), v případě Li-Ion článků pak může vést i k nebezpečné explozi přebíjeného článku. Podobně pak ke zničení článku může dojít v případě jeho přílišného vybití, toto platí zejména pro novější Li-polymer články, ty se v takovém případě fyzicky zvětší (nafouknou) a i když i přes toto zjevné poškození mají stále ještě určitou kapacitu, mají tak zvýšený vnitřní odpor, že jsou pro většinu aplikací nadále nepoužitelné. Prakticky jediným výrobci povoleným a v současnosti používaným nabíjecím postupem je nejprve nabíjet článek konstantním proudem o maximální velikosti přesně stanovené výrobcem a jakmile napětí nabíjeného článku dosáhne maximální předepsané hodnoty, je zapotřebí přejít do režimu nabíjení při konstantním napětí. V této fázi nabíjecího cyklu, která začíná již zhruba při 40 % nabití, napětí na článku z pochopitelných důvodů neroste, pouze trvale klesá nabíjecí proud, proto je poměrně obtížné přesně určit stupeň nabití a tedy i zbývající čas do konce nabíjení a dostupnou kapacitu. Příklad nabíjecí charakteristiky je na obrázku:
Komplikované je pak nabíjení akumulátorů se sériově zapojenými články, prakticky nikdy nemají všechny články zapojené v sérii identické parametry a proto vždy alespoň jeden z nich dosáhne stavu plného nabití dříve než ostatní; pokud v takovém případě bude nabíjení pokračovat stejným stylem až do chvíle, než se nabijí i zbývající články, začnou se již plně nabité články akumulátoru přebíjet a následky toho jsem již popsal výše. Z výše uvedených důvodů bylo nutné přijít s nějakým technicky dokonalejším řešením. Tím je:
Smart Battery
- neboli inteligentní akumulátor. Jedná se o akumulátor sestavený z běžných sériově, paralelně nebo i sério-paralelně zapojených článků, ovšem doplněný o další elektroniku, zajišťující monitoring a někdy i řízení nabíjení takových akumulátorů. Prakticky povinným se zejména u větších akumulátorů stává obvod řízení vybíjení, který chrání články před přílišným vybitím a případně zajišťuje i ochranu akumulátoru před zkratem na výstupu či nadměrným odebíraným proudem. O těchto typech akumulátorů si toho nyní povíme více.
Přestože neexistuje jednotný standard pro akumulátory pro mobilní zařízení a není tedy ani jednotné zapojení či mechanické provedení použitých konektorů, mnoho výrobců využilo pro komunikaci inteligentních akumulátorů s nadřazeným zařízením existující sběrnici typu SMBUS, která je v PC často používanou variantou známější dvoudrátové sběrnice I2C. Rozhraní akumulátoru pak kromě obvyklých silových signálů plus a mínus obsahuje ještě dva komunikační signály (sériová data a sériové hodiny) a často i nejméně jeden vstupní signál pro připojení výstupu z článků na výstup z akumulátoru (signál Output Enable). Elektronika takovéto chytré baterie dokáže zpravidla předávat informace o aktuální teplotě článků, dodávaném či odebíraném proudu, a díky zabudovanému digitálnímu integrátoru dokáže měřit i celkovou hodnotu energie, která byla do akumulátoru dodána při nabíjení, resp. již odebrána při vybíjení a spočítat tak i zbývající kapacitu. Díky zabudované paměti typu EEPROM si tato elektronika obvykle pamatuje i další údaje, jako je typ použitých článků, datum výroby, sériové číslo, označení výrobce, maximální povolené pracovní podmínky, atd.
Jedním z nejčastěji používaných obvodů je některý z řady obvodů bq20xx společnosti Texas Instruments, jako jsou například bq2060 nebo bq2092. Blíže se podíváme na jednodušší obvod bq2060A (datasheet ZDE). Tento obvod stačí doplnit o vhodnou I2C EEPROM o kapacitě alespoň 128 bytů, ve které jsou ukládány všechny potřebné informace nejen od výrobce, ale i za provozu akumulátoru. Obvod podporuje specifikaci SBS Smart Battery Data v1.1 (viz http://smartbattery.org/specs/), komunikaci pomocí dvoudrátového rozhraní SMBus v1.1 nebo jednodrátového rozhraní HDQ16 a monitoring individuálních napětí až čtyř článků v akumulátorech s NiCd, NiMH, Li-Ion, Li-Po nebo Pb články. Díky parametrům uloženým v EEPROM je schopen nejen sledovat provozní hodnoty, ale i aktivně spolupracovat s nabíječem, kterému periodicky zasílá informace o stavu nabíjení a případně může i samostatně odesílat varování o překročení předdefinovaných provozních parametrů buď řadiči nabíječe nebo nadřazenému řídicímu systému. Za zmínku stojí i schopnost automatické korekce pamatované zbývající kapacity o ztráty samovybíjením nebo občas využívaná schopnost zobrazit dostupnou zbývající kapacitu (v procentech aktualizované maximální nebo originální kapacity akumulátoru) pomocí přímo připojených 4 nebo 5 bar-graf LED. Zájemci mohou podrobnosti nastudovat v odkazovaném produktovém listě, funkcí je tolik, že by to vydalo na samostatný článek.
Ještě o něco dokonalejší je obvod bq2084, který je funkční obdobou popisovaného bq2060, ovšem integruje v sobě již i FLASH paměť jako náhradu za externí EEPROM, výkonný RISCový mikroprocesor pro ještě přesnější měření a aproximace kapacity a další pomocné obvody. Je přímo určen pro integraci spolu s obvodem bq29312, který monitoruje napětí na až čtyřech článcích a umožňuje tzv. load-balancing při jejich nabíjení, tj. pomocí zabudovaných tranzistorů FET automaticky přemostí ty z článků, které již dosáhly plného nabití, takže nabíjení těch zbývajících může pokračovat. Oproti jednoduššímu řešení s pouhým sledováním jednotlivých článků je tak možné plné využití dostupné kapacity článků a prodloužení životnosti celého akumulátoru.
Praktické zkušenosti
V nedávné době jsem řešil problém se zálohovacím akumulátorem pro RAM cache HW řadiče v jednom z našich serverů. Akumulátor typu NiMH byl již starší, po záruce a dle automatické diagnostiky řadiče vykazoval již jen cca 40 % původní kapacity, což řadič vyhodnotil jako závadu. Vzhledem k tomu, že akumulátor dle mého odhadu obsahoval pouze 4 prizmatické články v ceně cca 500 korun a nový originální akumulátor od výrobce řadiče stojí přes tři a půl tisíce, rozhodl jsem se pokusit se o jeho renovaci. Samotná výměna článků byla relativně jednoduchá, neboť na rozdíl od většiny akumulátorů k notebookům, které jsou zalepené v poměrně pevném plastu a tudíž se jen obtížně rozebírají, byl tento pouze zalepen v samolepicí folii, která šla snadno odloupnout. Zajímavější byla deska s elektronikou, viz. fotografie, která obsahuje již zmíněný obvod bq2060a.
Studiem dostupných zdrojů jsem zjistil, že pouhá výměna článků nebude stačit. Elektronika si totiž pamatuje naposledy dosaženou maximální kapacitu a nabíjecí obvod obvykle nedovolí delší nabíjení, než odpovídá této kapacitě. Proto je zapotřebí upravit i hodnoty, uložené v konfigurační paměti EEPROM. Tady byl malý zádrhel, především nedisponuji vhodným programátorem, který by umožňoval číst a zapisovat do I2C EEPROM bez nutnosti jejího odpájení (do kterého se mi příliš nechtělo) a navíc jsem chtěl činnost akumulátoru nějak ověřit ještě před tím, než jej budu vracet do serveru, potřeboval jsem nějak ověřit i samotnou komunikaci přes SMBus. Nakonec jsem narazil na software Smart Battery Workshop, který umí spolupracovat s velmi jednoduchým převodníkem LPT<>I2C:
Tento převodník jsem hbitě sestavil a po menším laborování s příliš malým konektorem a příliš tlustým přívodním vodičem se mi podařilo načíst údaje z připojeného akumulátoru. Teprve poté jsem však zjistil, že tímto způsobem není možné přepsat údaje v EEPROM, naštěstí to jde pomocí stejného rozhraní, jen se musí připojit přímo na piny EEPROM. Uvedený software umožňuje i v DEMO verzi zdarma číst obsah podporovaných EEPROM, takže jsem pořídil kontrolní výpis a uložil jej do souboru jako zálohu. Demo verze uvedeného software umožňuje i jednoduchý reset údajů v EEPROM, stačí jen zadat požadovanou novou plnou kapacitu v mAh a software již provede vše potřebné. Po úspěšném přepisu EEPROM jsem ještě provedl kontrolní výpis jejího obsahu. Porovnáním jsem zjistil, že program nastavil počítadlo cyklů na nulu, datum výroby nastavil jako aktuální datum a kapacitu původní i naposledy změřenou na mnou uvedenou hodnotu. Po opětovné instalaci již akumulátor opět funguje jako nový!
Měl jsem k dispozici i jeden vadný akumulátor z moderního notebooku, tento akumulátor se silně přehříval při nabíjení a notebook se poté často sám resetoval, proto jsme jej vyměnili za nový. Zajímalo mne, co může být s akumulátorem v nepořádku, takže jsem jej s využitím velkého násilí a zcela nevratně vyjmul z plastového pouzdra a naskytl se mi následující pohled:
Jak můžete sami vidět, akumulátor tvoří celkem 6 článků, zapojených paralelně po dvojicích a dvojice pak sériově, přičemž jsou do desky s elektronikou vyvedeny i oba spoje mezi sériově řazenými články. Bližší pohled na desku elektroniky ukáže to nejdůležitější, dva obvody bq:
Konkrétně pak bq2084DBT a bq29312PW:
Zjevné doporučené zapojení pak doplňuje obvod bq29401 na druhé straně desky:
Jedná se o samostatný analogový obvod ochrany článků proti přepětí, tento obvod nepřetržitě monitoruje napětí na jednotlivých článcích a v případě jeho překročení po definovatelném zpoždění aktivuje externí tranzistor FET, který zkratuje výstup z akumulátoru a způsobí tak přepálení sériově zařazené tavné pojistky. Tato sekundární ochrana slouží pro případ selhání hlavní ochrany pomocí bq2084 a bq29312; je vidět, že výrobce skutečně dbal na zajištění maximální bezpečnosti akumulátoru a případné přebíjení Li-Ion článků je dvojnásobně jištěno.
Díky přehlednému popisu kontaktů na konektoru, který se však nachází na plošném spoji a není před rozebráním akumulátoru viditelný, nebyl problém připojit I2C adaptér a pokusit se načíst parametry akumulátoru. Výsledek je zde:
I když si akumulátor absolvoval jen 236 nabíjecích cyklů, jeho kapacita již poklesla téměř na polovinu, výrobce však udává pokles na 50 % kapacity po více než pěti stech cyklech, takže je akumulátor zjevně vadný.
Do třetice jsem zkoušel načíst data ze zcela nového akumulátoru k notebooku HP, na tomto akumulátoru však zcela chybí jakékoliv označení pinů konektoru. Rozebrání nepřipadalo v úvahu, takže jsem na to musel jít jinak. Nejprve jsem ohmmetrem proměřil piny v konektoru na straně notebooku. Takto jsem spolehlivě identifikoval dva piny, sloužící pro připojení země. Proměření napětí na pinech akumulátoru vůči dalším pinům, než jsou ony dva zjištěné mínus póly, však nepřineslo žádný přesvědčivý výsledek. Teprve když jsem oba předpokládané mínusy propojil navzájem, objevilo se na jednom z dalších pinů předpokládané napětí akumulátoru. Jedná se tedy zjevně o typ, který vyžaduje aktivaci výstupního napětí. Ani takto jsem však s pomocí voltmetru nebyl schopen určit, které piny jsou datové, to však příliš nevadilo, obvyklá praxe je umístit oba signály vedle sebe, pokud znáte umístění mínus pólu a především také plus pólu, stačí projít zbývající vodiče metodou pokus omyl a pokusit se o načtení parametrů náhodně. Variant nebývá příliš mnoho a napětí a proudy na LPT převodníku minimalizují riziko poškození ať již připojeného PC nebo akumulátoru.
Autorem textu je p. Radek Štrébl
Komentáře
Poznamenal bych, že fuel
Poznamenal bych, že fuel gauge IC pro li-ion měl už můj 11 let starý bývalý notebook, navíc pouzdro baterie bylo ze 2 kusů plastu svařených ultrazvukem a to tak, aby po pokusu o výměnu článků bylo k nepotřebě.