Основи на измерването на батерията

Texas Instruments » bq27520

Картик Кадирвел, Texas Instruments


Снимка 1.	Блокова диаграма на типична система за откриване на заряд.

Фигура 1 показва блокова схема на стандартен измервателен уред. Състои се от най-малко два ADC, единият от които е проектиран да измерва тока на батерията. Вторият ADC е мултиплексиран и може да се използва за измерване на напрежението и температурата на батерията или да действа като ADC с общо предназначение. Измереното напрежение, ток и температура се подават в микропроцесора, който изпълнява алгоритъма за определяне на заряда. Енергонезависимата памет на микропроцесора съдържа определена информация за специфичните характеристики на батерията, като импеданс или зависимостта на капацитета на клетката от напрежението. Вграденият или външен регулатор осигурява на микропроцесора, ADC и други схеми регулируемо захранващо напрежение. Измервателят на заряда комуникира с останалата част от системата, използвайки стандартни протоколи като I 2 C.

Фигура 2.

Графиките на капацитета на клетката спрямо напрежението на отворена верига са начертани за различен брой цикли на зареждане-разреждане. С увеличаването на експлоатационния живот, капацитетът намалява и напрежението в края на разряда (EDV) се постига с по-ниски капацитети.

Най-простият алгоритъм за оценка на заряда е да се определи капацитетът на батерията от напрежението, измерено върху нея, като се използват графиките на фигура 2. Фигура 2 показва стандартната зависимост на напрежението на литиево-йонна батерия от нейния капацитет. От графиката можете да получите стойността на капацитета при дадено напрежение. Фигура 2 също така показва как капацитетът намалява с увеличаване на броя на циклите.заряд-разряд. Методът, базиран на напрежение, е лесен за изпълнение и ви позволява да знаете точната стойност на максималния капацитет на батерията (QMAX), когато няма натоварване върху нея. Въпреки това действителният използваем капацитет на батерията (QUSABLE) е по-малък от максималния капацитет поради вътрешния импеданс на батерията (Фигура 3). Средният импеданс на батерията (RBAT) може да се използва за оценка на използваемия капацитет, но тази оценка вероятно ще бъде силно податлива на грешки, тъй като RBAT е функция на температурата на батерията (T), възрастта на батерията (Age) и състоянието на зареждане (SoC). Въпреки че по принцип може да се използва голяма многоизмерна таблица за коригиране на съпротивлението на батерията, за изчисляване на съпротивлението е необходима много информация за батерията и веригата.


Фигура 3	Графиките на капацитета на клетката спрямо напрежението са начертани за неактивни и заредени случаи на батерии. Импедансът на клетката (RBAT) намалява използваемия капацитет (QUSABLE).

По-добро решение е методът за преброяване на заряда. В този случай, за да се получи точна оценка на текущия капацитет, зарядът, протичащ във и от батерията, се интегрира. Този метод работи добре, при условие че първоначалното състояние на заряд е известно точно. Ако първоначалният капацитет на батерията е известен, чрез интегриране на общия ток може да се получи текущият капацитет. Основният проблем с този метод е, че той не отчита саморазреждането на батерията, тъй като токът на саморазреждане не протича през външната верига. Това може да доведе до неточни оценки на капацитета. Саморазреждането може да бъде симулирано, но всички модели са неточни и освен това нивото на саморазреждане зависи от температурата и възрастта на батерията.

Разрешавампроблеми с двата метода, информация за напрежение и ток, както и температура на батерията, могат да се използват за прогнозиране на капацитета. В този случай напрежението на отворена верига се измерва при ненатоварена батерия, а измерването на тока се извършва, когато батерията се зарежда или разрежда. Напрежението на батерията се измерва непрекъснато, дори когато няма товар. Непрекъснатото измерване на напрежението се използва за актуализиране на текущото състояние на заряд въз основа на графиката, показана на Фигура 2.

След това, когато се приложи натоварване, нетният заряд, изтичащ във или от системата, се определя чрез преброяване. След отстраняване на товара, на батерията се дава известно време да се възстанови и напрежението се измерва отново. Използвайки данните от две измервания на напрежението и резултатите от изчисляването на общия заряд, е възможно да се определи максималният капацитет на батерията [3]. Възможно е също така да се изчисли импедансът на тока въз основа на измерения ток, напрежението на отворена верига, коригирано за температура и състояние на зареждане от справочната таблица, и напрежението, измерено под товар. По този начин, знаейки максималния капацитет и стойността на импеданса на батерията, може да се получи точна оценка на оставащия използваем капацитет.

Избор на микрочип за измерване на заряда

При избора на чип за откриване на заряда основното внимание трябва да се обърне на точността на алгоритъма, потреблението на ток и броя на външните компоненти, необходими за нормалната му работа, предимно регулатори на напрежение и токочувствителни резистори. Дори когато действителният товар е изключен, IC остава включен, за да измерва периодично напрежението на отворена верига. Всяка енергия, използвана от измервателния уред за зареждане, съкращава времето за работа на системата, така чечипът трябва да има нисък ток на покой. Изисква регулирано захранване за ADC, микропроцесора и други компоненти, както и резистор с ниско съпротивление за измерване на тока на батерията. В идеалния случай всичко това трябва да бъде интегрирано в една матрица, за да се намали броят на външните компоненти и да се спести място на платката. Пример за такъв измервателен уред е чипът bq27520, съдържащ LDO регулатор.

Факторите, които се вземат предвид на ниво система, са къде е инсталиран измервателният уред (от страната на батерията или от страната на хоста), неговата инициализация и дизайна на алгоритъма. В случай на монтаж отстрани на батерията, измервателният уред се поставя директно върху нея. Това му позволява да бъде синхронизиран с батерията през цялото време и да предоставя моментална информация за него. В случай на инсталация от страната на хоста, измервателният уред трябва да се инициализира правилно всеки път, когато се инсталира батерия. Когато се инсталира на батерия, алгоритъмът се разработва от производителя на батерията, така че системният интегратор просто трябва да поиска батерия, която отговаря на необходимите параметри. Единственият недостатък на този метод е, че чипът ще бъде изхвърлен заедно с батерията, когато се повреди, което потенциално ще увеличи общата цена на системата. Когато се внедри от страната на хоста, системният интегратор трябва да има опит в измерването на заряда и да планира времето, необходимо за разработване на алгоритъма.

Заключение

Оценяването на капацитета на батерията е сложна задача, тъй като този капацитет се влияе от много взаимосвързани параметри. Простите алгоритми могат да доведат до неточни резултати, което потенциално може да намали времето за работа на системата. Ето защо при проектирането на устройства за измерване на зарТрябва да се имат предвид компромиси, както на ниво чип, така и на ниво система.

Връзки

Yevegen Barasukov, „Предизвикателства и решения при измерването на горивото на батерията“, Texas Instruments.
„Горивомер на коловоза със страничен импеданс на системата с интегриран LDO“ BQ27520 Лист с данни (SLUSAP0) Texas Instruments, декември 2011 г.
„Теория и внедряване на алгоритъм за измерване на горивото на импеданса на батерията в семейството bq2750x“, Бележка за приложението (SLUA450), Texas Instruments, януари 2008 г.

Превод: Михаил Р по поръчка на RadioLotsman