Контроль заряда аккумуляторов для всех

Точная математическая модель аккумулятора имеет решающее значение при построении эффективной и недорогой системы контроля уровня заряда
2597
В избранное

Долгое время создание систем контроля заряда аккумуляторов, точно так же как и разработка военных радаров и сверхзвуковых самолетов, представляла собой сложную технологию, недоступную для рядовых инженеров, у которых не было в распоряжении специализированного оборудования или существенного бюджета. Однако сейчас все изменилось.

Контроль заряда аккумулятора становится одной из важнейших задач при построении устройств с батарейным питанием. Это касается как мобильной электроники, так и IoT-приложений. При этом качество и точность математической модели заряда-разряда напрямую определяет эффективность использования аккумулятора. Создание точной математической модели для конкретного аккумулятора оказывается очень трудоемким и дорогим процессом. Фактически, только самые крупные производители обладают ресурсами для разработки таких моделей.

Отсутствие доступа к точным моделям аккумуляторов становится огромным препятствием для распространения портативных устройств. В этой статье рассказывается о революционном подходе, позволяющем решать данную проблему, и создавать эффективные и недорогие системы контроля уровня заряда аккумуляторов.

Контроль уровня заряда аккумулятора для избранных

Генерация энергии в аккумуляторе представляет собой не что иное, как миниатюрный и контролируемый взрыв. Объем энергии, запасенной в батарее, зависит от емкости и температуры. По этой причине при построении модели очень важно учитывать влияние параметров окружающей среды. Как только модель аккумулятора получена, ее загружают в специализированную микросхему. Использование точной модели гарантирует предсказуемость, а также безопасность заряда и разряда аккумулятора.

Для создания эффективной математической модели, точно предсказывающей уровень заряда аккумулятора и обеспечивающей минимальную погрешность, требуется много времени и средств

Рис. 1. Для создания эффективной математической модели, точно предсказывающей уровень заряда аккумулятора и обеспечивающей минимальную погрешность, требуется много времени и средств

Поставщики микросхем традиционно ориентированы на большие объемы производства, так как для разработки математической модели аккумулятора требуется несколько недель кропотливой исследовательской работы в лабораторных условиях. Только в результате этой трудоемкой, индивидуальной работы удается получить модель, гарантирующую эффективное использование аккумуляторов, минимальную погрешность измерения состояния заряда (state-of-charge, SOC) и точное распознавание приближения момента полного разряда (рис. 1).

Контроль уровня заряда аккумулятора для многих

Изучив характеристики множества литиевых батарей, вполне реально разработать универсальную модель, описывающую поведение различных аккумуляторов. Такую модель можно дополнительно настроить для конкретного приложения и «загрузить» в зарядную микросхему. Настройка моделей производится разработчиками самостоятельно с помощью специального ПО, которое обычно входит в состав отладочных наборов. Перед тем как приступить к настройке, разработчик должен ответить на три вопроса:

  1. Какова емкость аккумулятора (часто указывается на этикетке или в документации на аккумулятор)?
  2. Каково напряжение полного разряда (зависит от приложения)?
  3. Будет ли напряжение заряда выше 4,275 В (на ячейку, в случае нескольких последовательно включенных ячеек)?

При таком подходе исследовательская работа по созданию математической модели уже выполнена производителем, и разработчику конечного оборудования не нужно об этом заботиться. Предполагая, что бюджет системной ошибки при прогнозировании SOC составляет 3%, модель должна вписываться в 97% тестовых испытаний.

Кроме того, модель должна иметь возможность адаптации под конкретные особенности аккумулятора, чтобы еще больше повысить эффективность его использования. Один из таких механизмов адаптации гарантирует, что показания датчика заряда будут приближаться к 0%, когда напряжение аккумуляторной ячейки в действительности приближается к состоянию полного разряда.

Для многих пользователей недостаточно определить SOC или оставшуюся емкость (в мА·ч). В действительности им требуется знать, сколько времени гаджет проработает без подзарядки. С другой стороны, если просто поделить остаток заряда на текущую или усредненную нагрузку, то результат может быть не слишком точным. Используемая адаптивная модель должна обеспечивать точную оценку оставшегося времени работы на основе параметров батареи, температуры и нагрузки, а также с учетом уровня напряжения полного разряда.

Преимущества предлагаемого подхода очевидны. Крупные производители могут использовать исходную «базовую» модель в качестве отправной точки для того, чтобы начать разработку еще до выбора конкретного типа аккумуляторов. При этом переход к оптимизированной лабораторной модели потребуется только на завершающих стадиях разработки. Небольшие и мелкие производители будут без особых проблем использовать базовую модель в серийной продукции, зная, что она обеспечит совместимость и хорошие результаты с большинством типовых аккумуляторов.

Описываемый подход используется в датчиках заряда ModelGauge m5 EZ от компании Maxim Integrated.

Контроль уровня заряда аккумулятора для всех

Для популяризации предложенной идеи и упрощения разработки систем с аккумуляторным питанием было решено создать отладочную плату, совместимую с платформой Arduino (рис. 2). MAXREFDES96 IoT Power Supply – отладочная плата в форм-факторе Arduino, с питанием от литий-ионного аккумулятора емкостью 660 мА·ч (рис. 3). На плате используется высокоинтегрированная микросхема зарядного устройства MAX77818 и микросхема контроля заряда ModelGauge m5 EZ от компании Maxim Integrated. В схеме также присутствуют и другие ИС, которые обеспечивают дополнительные функции системы управления и системы питания.

MAXREFDES96 предполагает обмен данными по I2C

Рис. 2. MAXREFDES96 предполагает обмен данными по I2C

Отладочная плата MAXREFDES96 имеет совместимость с Arduino Uno R3 и обеспечивает функции управления и контроля заряда аккумулятора

Рис. 3. Отладочная плата MAXREFDES96 имеет совместимость с Arduino Uno R3 и обеспечивает функции управления и контроля заряда аккумулятора

Технологии Maxim Integrated повышают скорость и эффективность заряда, а также гарантируют точность измерения уровня SOC, что позволяет оптимально использовать аккумуляторы. Плата MAXREFDES96# может питаться от разных источников: от USB-порта, от стека Arduino или от внешнего источника питания через собственный разъем, расположенный на плате. Кроме того, на плате размещен держатель литий-ионных аккумуляторов, который допускает использование аккумуляторов от разных производителей. Бесплатная прошивка поддерживает работу с платами Arduino и платами mbed.org.

При работе с MAXREFDES96 модель аккумулятора может быть непосредственно сохранена в энергонезависимой памяти MAX17201 или в памяти Arduino. В последнем случае модель должна загружаться при включении питания. При этом на плате Arduino может храниться несколько моделей, что позволяет использовать различные батареи.

Универсальные платы Arduino могут применяться в различных приложениях широким кругом пользователей, включая любителей и энтузиастов. Система, построенная на базе MAXREFDES96, оказывается чрезвычайно мобильной. Она может быть быстро развернута для сбора данных или для выполнения тестирования; а также применяться в качестве резервной системы управления при критических отказах оборудования. Во всех случаях MAXREFDES96 обеспечивает максимально эффективную работу с аккумуляторами, в том числе быстрый заряд и точный контроль SOC.

Заключение

В статье было объяснено, почему при измерении уровня разряда аккумулятора (SOC) важно использовать точную математическую модель. Также были рассмотрены проблемы, связанные с созданием лабораторных моделей, особенно в мелкосерийных проектах. Новая отладочная плата MAXREFDES96 Arduino, использующая алгоритм EZ ModelGauge m5 от Maxim Integrated, помогает упростить процесс разработки и снизить стоимость реализации систем с аккумуляторным питанием, что делает подобные системы доступными для всех.

Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX77818EWZ+T
MAX77818EWZ+T
Maxim Integrated
Арт.: 1893670 ИНФО PDF RD DT
Доступно: 316 шт.
Выбрать
условия
поставки
PMIC FOR SMART PHONE
MAX77818EWZ+T от 3 шт. от 640,27
316 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17211GEVKIT#
MAX17211GEVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2093193 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 18 шт.
Выбрать
условия
поставки
The MAX17201G/MAX17201X/MAX17211G/MAX17211X evaluation kits (EV kits) are fully assembled and tested surface-mount PCBs th…
MAX17211GEVKIT# от 7064,12
18 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MAX17201G+
MAX17201G+
Maxim Integrated
Арт.: 2102747 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 335 шт.
Выбрать
условия
поставки
Управление питанием от батарей Modelgauge M5 Fuel Gauge, LI-ION, 4.9 V, TDFN-14.
MAX17201G+ от 3 шт. от 604,18
335 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()