Устройства оценки остаточной емкости ХИТ

Введение

Задача определения количества энергии, оставшейся в ХИТ, часто не является простой и тривиальной, как это может показаться на первый взгляд. Существует множество ХИТ, у которых разрядная кривая (зависимость напряжения на ХИТ от степени заряженности) имеет почти линейный вид и плавно убывает по мере разряда самого ХИТ. В данном случае для примерного определения остаточной емкости достаточно измерить напряжение на ХИТ. Однако не все применяемые сегодня ХИТ имеют такую зависимость. Например, у литийжелезофосфатных аккумуляторов разрядная кривая имеет протяженный, почти горизонтальный участок, называемый «площадкой», где разница всего в 30–50 мВ по напряжению может означать разницу в 30–40% по емкости. При этом кривая не является стабильной и может существенно смещаться при изменении температуры.

При длительном хранении батареи происходит ее саморазряд. Ток саморазряда также зависит от температуры, то есть условий хранения и т. д. Таким образом, существует несколько переменных, влияющих на определение остаточной емкости, и сама эта задача становится сложной. Решить ее можно, например сведя все данные зависимости в таблицы, и уже по ним определять остаточную емкость. Однако если ХИТ будет иметь другую конструкцию или немного изменится состав химических масс (что часто происходит по мере совершенствования самих ХИТ), старые табличные данные будут недействительны, и их заново нужно будет получить в ходе многочисленных опытов.

Другой способ определения остаточной емкости предоставляет современная микроэлектроника. Можно сделать устройство, которое будет суммировать весь заряд, вытекающий и/или втекающий (если это аккумулятор) в батарею. Его количественная оценка и будет являться критерием для определения остаточной емкости. Понятно, что при этом само такое устройство должно потреблять как можно меньше энергии от батареи.

Устройства оценки остаточной емкости можно условно разделить на два класса: интегральные и программные, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Интегральные устройства

Интегральные устройства строятся на основе интегральной микросхемы, которая имеет все необходимое «на борту». Количество внешних электронных компонентов в таких устройствах обычно сведено к минимуму. Производители таких микросхем снабжают их точными измерителями тока, температуры, напряжения, энергонезависимой памятью, где могут быть сохранены не только данные об остаточной емкости, но и серийный номер батареи, ее дата выпуска и пр., а также всевозможными дополнительными функциями.

Рис. 1. Типовая схема включения DS2788

На рис. 1 показана типовая схема включения одного из представителей этого класса микросхем — DS2788 фирмы Maxim Integrated. Стабилизатор Max6765 служит для расширения входного диапазона напряжения, без него микросхема способна работать только с одним литиевым элементом в диапазоне напряжения от +2,5 до +4,5 В. Через транзисторы к входу микросхемы подключается делитель напряжения для измерения напряжения на батарее. В момент измерения микросхема подает управляющий сигнал, и делитель подключается к батарее. Транзисторы предотвращают ненужные токи утечки через делитель в те моменты, когда измерения напряжения не происходит. Микросхема имеет выходы для светодиодного индикатора, состоящего из линейки светодиодов. Включить их можно кнопкой: после ее нажатия светодиоды показывают остаточную емкость (в относительных единицах) в течение нескольких секунд. Наличие такого индикатора позволяет эксплуатировать устройство оценки остаточной емкости на ее основе без дополнительного считывающего устройства, так как позволяет получить информацию об остаточной емкости батареи в наглядном виде в полевых условиях. С помощью сенсорного резистора R_SNSпроисходит измерение тока. Связаться с микросхемой для ее настройки и получения данных можно по однопроводному интерфейсу DALLAS 1‑Wire (вывод DQ микросхемы DS2788).

Как видно, схемотехника достаточно проста, но, несмотря на это, микросхема содержит внушительный арсенал всевозможных функций и механизмов, которые обеспечивают точную оценку остаточной емкости батареи с учетом условий ее эксплуатации. Рассмотрим возможности, предоставляемые микросхемой DS2788, более детально.

Следует отметить, что микросхема DS2788 предназначена, в первую очередь, для работы с Li-ion аккумуляторными батареями. Тем не менее при правильной инициализации и настройке внутренних регистров ее можно успешно использовать для оценки остаточной емкости батарей/элементов на основе других электрохимических систем, в том числе и неперезаряжаемых.

Предполагается, что монтаж устройства оценки остаточной емкости на основе микросхемы DS2788 на батарею производится единожды, и в дальнейшем они эксплуатируются как единое целое. В связи с этим следует учитывать, что запись значения остаточной емкости в энергонезависимую память микросхемы происходит периодически (в случае с DS2788 — при изменении значения регистра оценки остаточной емкости на 4% от номинальной емкости, на которую настроена микросхема). Функция сохранения в энергонезависимую память не может быть вызвана в произвольный момент в рамках документированного протокола взаимодействия с внешними устройствами. Это обстоятельство может иметь существенное значение при построении съемных систем прецизионного контроля параметров батарей, а также при присоединении устройства оценки остаточной емкости после устройств коммутации общих систем контроля Li-ion батарей.

Микросхема DS2788 имеет возможность ухода в спящий режим для сохранения заряда батареи, однако в спящем режиме не производятся операции измерения параметров батареи и подсчета значения остаточной емкости, тем не менее значения всех регистров будут сохранены до возврата микросхемы в активный режим. При длительном хранении батареи с интегрированной в нее системой на основе DS2788, введенной в спящий режим, не будет учтен ее саморазряд, а также ток потребления самой системы оценки остаточной емкости. Несмотря на то, что ток потребления DS2788 в спящем режиме — порядка 1 мкА, на схеме, приведенной на рис. 1, присутствует преобразователь MAX6765, который потребляет более значимый ток даже на холостом ходу — порядка 45 мкА.

Устройство оценки остаточной емкости на основе DS2788 предоставляет внешней системе значения нескольких параметров. Основными являются остаточный заряд батареи в условных единицах (вес которых определяется использованным в устройстве измерительным резистором) и остаточная емкость батареи в мА·ч, а также в процентах от номинальной емкости батареи.

Кроме основных параметров, микросхема DS2788 предоставляет множество дополнительных, таких как остаточная емкость батареи в мА·ч и в процентах от номинальной емкости батареи при пониженном потреблении тока основной нагрузкой (эквивалентно режиму Standby прибора, питающегося от батареи), напряжение на батарее, текущее и усредненное за несколько секунд значение тока. Также доступно значение температуры (измеряемое на выводе Vss микросхемы) и несколько флагов (батарея заряжена, батарея почти разряжена и пр.).

Если говорить о Li-ion батареях, то при надлежащем уровне интеграции микросхемы DS2788 в их общую систему контроля, которая в том или ином виде их всегда сопровождает, можно не только упростить процесс ее проектирования и построения, но и существенно расширить ее функционал в плане обеспечения устройства-потребителя и/или оператора информацией о состоянии батареи.

Следует обратить внимание на большое количество регистров с разнообразными настроечными значениями. Среди них — напряжение полностью заряженной батареи, значения напряжения разряженной батареи для активного и Standby режимов работы основной нагрузки, минимальный ток заряда батареи и др. Отдельно нужно отметить возможность корректировки температурных кривых граничных значений емкости батареи с помощью указания значений узловых точек. Все эти параметры позволяют тонко настроить микросхему под конкретную батарею для максимально точной оценки остаточной емкости.

Возможности, предоставляемые микросхемой DS2788, также позволяют учесть старение батареи, что немаловажно как для Li-ion батарей, так и для батарей на основе других электрохимических систем. Есть функция автокорректировки значения остаточной емкости батареи по ее напряжению, а также возможность учета температурного коэффициента измерительного резистора R_SNS, саморазряда батареи (при условии сохранения микросхемы DS2788 в активном режиме) и точной калибровки измеряемого значения тока.

Достоинства интегральных устройств:

• Бóльшая часть всего необходимого для оценки остаточной емкости батареи сосредоточена в одной микросхеме, в том числе точные измерители тока, напряжения и температуры.
• Микросхемы обладают сбалансированным энергопотреблением, которое учитывается при подсчете.
• Простота схемотехники для потребителя.
• Широкий набор регулировочных и выходных параметров.

К недостаткам можно отнести узкий диапазон тока, который способны фиксировать эти микросхемы. Например, минимальный номинал измерительного резистора R_SNS, рекомендованный производителем для применения с DS2788, — всего 0,005 Ом, при этом максимальное фиксируемое значение тока не превзойдет 10,2 А. (Возможность кардинального уменьшения номинала этого резистора для расширения диапазона измеряемых значений тока в статье не рассматривается.) Существенным ограничением является и небольшой объем счетчика емкости, так, например, при R_SNS = 0,01 Ом максимальная емкость составит около 40 А·ч. Некоторые батареи из первичных элементов, применяемые в промышленности и хозяйственной деятельности, имеют емкость 300–400 А·ч, а максимальные и/или пиковые токи разряда достигают нескольких десятков ампер.

Программные устройства

Программные устройства строятся на элементной базе общего назначения, а функции счетчика возлагаются на программное обеспечение входящего в их состав микроконтроллера. Отсюда и условное название этих устройств. Однако необязательно предусматривать в системе отдельный микроконтроллер для подсчета остаточной емкости батареи. Если в приборе уже есть микроконтроллер, то вполне вероятно, что у него имеется неиспользуемый резерв ресурсов, за счет которого можно будет реализовать функцию подсчета емкости, дописав соответствующее ПО.

Один из самых критических параметров устройств измерения емкости — их ток потребления в режиме хранения батареи. Чем меньше этот ток, тем больше в батарее останется энергии при длительном хранении. Если в интегральных устройствах эта задача решается производителем микросхемы, то при построении программного устройства такую задачу необходимо решать самостоятельно.

В момент использования батареи (при подключении основной нагрузки) ток, отдаваемый батареей, в сотни/тысячи раз больше тока потребления устройства определения емкости в режиме хранения (в режиме «сна») или в режиме работы счетчика ампер-часов. Поэтому ток потребления устройством в момент работы батареи может быть несколько больше, что никак не скажется на отдаваемой батареей емкости, так как суммарная мощность, необходимая для работы устройства оценки остаточной емкости, составляет сотые доли процента. Поэтому программные счетчики в режиме хранения находятся в режиме ожидания («сна»), потребляя как можно меньше энергии. В режиме разряда батареи ток потребления этих устройств также может увеличиваться в несколько раз, что необходимо для их нормального функционирования.

Одно из возможных схемотехнических решений программного устройства оценки остаточной емкости батареи приведено на рис. 2.

Рис. 2. Схема устройства оценки остаточной емкости ХИТ на элементной базе общего назначения

Микросхема DA2 MAX472 (интегральный датчик тока) имеет внутренний компаратор, который сбрасывается при протекании тока через сенсорный резистор R_SNS. Этот сигнал выводит микроконтроллер MSP430 (DD1) из спящего режима, и он начинает подсчет. Пребывая в спящем режиме, микроконтроллер самостоятельно кратковременно активизируется с периодичностью в несколько минут для учета тока потребления самой схемой и саморазряда батареи. При этом средний ток потребления устройства, приведенного на рис. 2, вполне сопоставим с током потребления интегральными устройствами и составляет приблизительно 90–130 мкА. Микроконтроллер выходит из спящего режима также при подключении устройства считывания и передает на него данные об остаточной емкости.

Как уже было сказано, микроконтроллер, как и микросхема стабилизатора напряжения (DA1), могут отсутствовать, если все это уже имеется в составе прибора. Таким образом, схема счетчика сводится всего лишь к датчику тока, в данном случае MAX472 (DA2). Микроконтроллер снабжен кварцевым резонатором (Q1) для точного определения интервалов времени.

Достоинства этого решения: отсутствие ограничений по фиксируемым значениям тока и максимальной емкости батареи, что характерно для интегральных устройств, и простота реализации.

Но есть и недостатки: возможна бóльшая по сравнению с интегральными погрешность измерения, так как используются доступные средства измерения. (Например, разрядность АЦП микроконтроллера, привлеченного к оценке остаточной емкости, может оказаться недостаточной для обеспечения надлежащей точности измерения тока, что в свою очередь повлияет на точность оценки емкости.) Также к недостаткам можно отнести применение более простых алгоритмов подсчета и обработки, которые при определенных условиях не позволят достичь точности, предлагаемой современными интегральными устройствами. Использование простых алгоритмов обусловлено еще и тем, что все возможные виды зависимости, наблюдаемые в ХИТ, относятся к специальной области знаний, и часто у разработчиков электронных устройств нет ни времени, ни желания разбираться в них. Так, например, учет температурной зависимости подразумевает наличие температурного датчика, данных об изменениях характеристик конкретного ХИТ при изменении температуры и т. д. Поэтому алгоритмы сводятся к простому интегрированию втекающего и вытекающего тока, чего часто бывает достаточно при нормальных климатических условиях эксплуатации. Эта же проблема относится и к интегральным устройствам. Несмотря на наличие всего необходимого, потребители порой не используют весь арсенал, предоставленный производителем той или иной микросхемы.

Заключение

Свести к минимуму недостатки обоих классов счетчиков позволяют гибридные устройства, совмещающие в себе как интегральную микросхему, так и микроконтроллер. Достижения современной микроэлектроники обеспечивают приемлемый уровень потребления энергии такими устройствами от батареи в спящем режиме. В то же время специализированная микросхема предоставляет весь необходимый функционал для точной оценки остаточной емкости батареи. Микроконтроллер, в свою очередь, позволяет обойти ограничения по предельному значению номинальной емкости батареи и обеспечивает сохранение данных в энергонезависимой памяти тогда, когда это необходимо, а также имеет более гибкий интерфейс взаимодействия с внешней системой и оператором. Как уже упоминалось ранее, необязательно использовать для этих целей отдельный микроконтроллер: можно задействовать свободные ресурсы, уже имеющиеся в системе.

Для того чтобы применить устройство оценки остаточной емкости внутри батареи, необходимо наличие устройства отображения данных. Иногда эта задача решается вычислительными средствами самого прибора: например, сотовый телефон сам отображает информацию об остаточной емкости своей батареи. Однако бывает и так, что батарею в приборе часто меняют, а устройство оценки остаточной емкости интегрировано в саму батарею. В таких случаях может потребоваться отдельное считывающее устройство для отображения информации об остаточной емкости батареи.

На рис. 3 показаны считывающее устройство для работы в полевых условиях и сами счетчики, построенные по различным принципам, описанным в статье.

Рис. 3. Устройство отображения информации, счетчики ампер-часов:
1 — интегральный;
2 — программный

Применение устройств оценки остаточной емкости ХИТ позволяет точно планировать длительность применения батарей и режимы работы устройств там, где они используются, а также поможет избежать непредвиденных ситуаций и, таким образом, снизить затраты. Как говорится в известной рекламе одноразовых батареек, снабженных системой приблизительного определения остаточной емкости: это позволит дать батарее «вторую» жизнь