Основи вимірювання заряду акумулятора

Texas Instruments » bq27520

Karthik Kadirvel, Texas Instruments


Малюнок 1.	Блок-схема типової системи визначення заряду.

На малюнку 1 показана блок-схема стандартного вимірювача заряду. Він складається щонайменше з двох АЦП, один з яких призначений для вимірювання струму акумулятора. Другий АЦП є мультиплексованим і може використовуватися для вимірювання напруги і температури акумулятора або виконувати функцію АЦП загального призначення. Виміряна напруга, струм і температура подаються в процесор, в якому реалізований алгоритм визначення заряду. В незалежній пам'яті мікропроцесора міститься певна інформація про специфічні характеристики акумулятора, такі як імпеданс або залежність ємності осередку від напруги. Вбудований або зовнішній стабілізатор забезпечує мікропроцесор, АЦП та інші ланцюги регульованою напругою живлення. Вимірювач заряду взаємодіє з рештою системи за допомогою стандартних протоколів, наприклад, I 2 C.

Малюнок 2.

Графіки залежності ємності осередку від напруги холостого ходу побудовані для різної кількості циклів заряду-розряду. Зі збільшенням терміну експлуатації ємність зменшується, і кінцева напруга розряду (EDV) досягається при менших ємностях.

Найпростіший алгоритм оцінки заряду полягає у визначення ємності акумулятора за виміряним на ньому напрузі з використанням графіків. З графіка можна отримати значення ємності при даній напрузі. Рисунок 2 також показує, як зменшується ємність із збільшенням кількості циклівзаряду-розряду. Метод, заснований на вимірі напруги, простий у реалізації та дозволяє дізнатися точне значення максимальної ємності акумулятора (QMAX) за відсутності на ньому навантаження. Однак фактична корисна ємність акумулятора (QUSABLE) менша за максимальну ємність через внутрішній імпеданс акумулятора (Малюнок 3). Для оцінки корисної ємності можна використовувати середнє значення імпедансу акумулятора (RBAT), але ця оцінка, швидше за все, міститиме великі помилки, оскільки RBAT є функцією температури акумулятора (T), його віку (Age) та стану заряду (SoC). Хоча, в принципі, для коригування опору акумулятора може використовуватися велика багатовимірна таблиця, для розрахунку опору потрібно багато інформації про акумулятор і ланцюг.


Малюнок 3.	Графіки залежності ємності осередку від напруги побудовані для випадків холостого ходу та навантаженого акумулятора. Імпеданс осередку (RBAT) зменшує корисну ємність (QUSABLE).

Найдосконалішим рішенням є спосіб підрахунку заряду. У цьому випадку для отримання точної оцінки поточної ємності інтегрується заряд, що втікає в акумулятор і з нього. Даний метод добре працює за умови, що точно відомий початковий стан заряду. Якщо відома вихідна ємність акумулятора, інтегруючи загальний струм, можна отримати поточну ємність. Основна проблема, пов'язана з цим методом, полягає в тому, що тут не враховується саморозряд акумулятора, оскільки струм саморозряду не протікає зовнішнього ланцюга. Це може призвести до неточної оцінки ємності. Саморозряд може бути змодельований, але будь-які моделі неточні, і, крім того, рівень саморозряду залежить від температури та віку акумулятора.

Для того щоб вирішитипроблеми обох методів, для прогнозування ємності можна використовувати інформацію про напругу та струм, а також про температуру акумулятора. У цьому випадку напруга холостого ходу вимірюється при ненавантаженому акумуляторі, а вимірювання струму виконується, коли акумулятор заряджається або розряджається. Напруга акумулятора вимірюється постійно, навіть за відсутності навантаження. Безперервне вимірювання напруги використовується для оновлення інформації про поточний стан заряду на основі графіка, зображеного на малюнку 2.

Потім, коли навантаження прикладена, методом підрахунку визначається результуючий заряд, що втікає в систему або з неї. Після зняття навантаження батареї дають деякий час відновлення, і напруга вимірюється знову. Використовуючи дані двох вимірювань напруги та результати підрахунку сумарного заряду, можна визначити максимальну ємність акумулятора [3]. Також можна розрахувати поточний імпеданс, ґрунтуючись на виміряному струмі, напрузі холостого ходу з поправками на температуру та стан заряду, отриманими з таблиці відповідності та на напрузі, виміряній під навантаженням. Таким чином, знаючи максимальну ємність і значення імпедансу акумулятора, можна отримати точну оцінку корисної ємності, що залишилася.

Вибір мікросхеми для вимірювання заряду

Основну увагу при виборі мікросхеми визначення заряду слід приділити точності алгоритму, споживаного струму і кількості зовнішніх компонентів, необхідних для нормальної роботи, перш за все, регуляторів напруги і струмочутливих резисторів. Навіть тоді, коли фактичне навантаження вимкнено, мікросхема залишається включеною для періодичного вимірювання напруги холостого ходу. Будь-яка енергія, що використовується вимірювачем заряду, скорочує час роботи системи, томумікросхема повинна мати низький струм спокою. Їй потрібне регульоване джерело живлення для АЦП, мікропроцесора та інших блоків, а також резистор низькоомний для вимірювання струму акумулятора. В ідеалі все це має бути інтегровано на одному кристалі, щоб скоротити кількість зовнішніх компонентів та заощадити місце на платі. Як приклад такого вимірювача можна навести мікросхему bq27520, що містить регулятор LDO.

Факторами, що розглядаються на системному рівні, є місце встановлення вимірювача (на боці батареї або на боці хоста), його ініціалізація та розробка алгоритму. У разі встановлення на боці батареї, вимірювач розміщується безпосередньо на ній. Це дозволяє йому бути синхронізованим з акумулятором і надавати про нього миттєву інформацію. У разі встановлення на стороні хоста вимірник потрібно правильно ініціалізувати щоразу, коли встановлюється акумулятор. У разі встановлення на батареї алгоритм розробляє виробник акумулятора, тому системний інтегратор просто повинен запросити акумулятор, який відповідає необхідним параметрам. Єдиним недоліком такого методу є те, що мікросхема буде викинута разом з акумулятором, коли той стане непридатним, що потенційно може призвести до збільшення загальної вартості системи. При розміщенні на боці хоста системний інтегратор повинен мати досвід вимірювання заряду та у графіку робіт врахувати час, необхідний розробки алгоритму.

Висновок

Оцінка ємності акумулятора є складним завданням, оскільки цю ємність впливає безліч взаємозалежних параметрів. Прості алгоритми можуть призвести до неточних результатів, які можуть скоротити час роботи системи. Тому при конструюванні пристроїв вимірювання зарядуслід розглядати компроміси як на рівні мікросхем, так і на системному рівні.

Посилання

Yevegen Barasukov, Challenges and Solutions in Battery Fuel Gauging, Texas Instruments.
BQ27520 Data Sheet (SLUSAP0) Texas Instruments, December 2011.
"Theory and Implementation of Impedance Track Battery Fuel-Gauging Algorithm in bq2750x Family," Application Note (SLUA450), Texas Instruments, January 2008.

Переклад: Mikhail R на замовлення РадіоЛоцман