Как определить аккумулятор по току заряда

Точное определение уровня заряда? – алгоритм ModelGauge

21 декабря 2016

Точное измерение заряда аккумулятора – важная и актуальная задача, особенно в условиях наблюдаемого расцвета мобильных устройств. Сегодня существует множество приложений, где проблема точной оценки заряда особенно критична. Это электрический транспорт, летательные аппараты, различные медицинские и другие приборы. Компания Maxim Integrated предлагает свое решение данной задачи в виде микросхем измерения заряда аккумулятора с поддержкой технологии ModelGauge. Эти микросхемы позволяют значительно упростить процесс разработки и одновременно повысить точность измерении.

Трудно поверить, но еще 20 лет назад проблема определения заряда аккумуляторов была востребована только в узком спектре приложений. В бытовой электронике – фотоаппаратах, плеерах, игрушках, – она почти всегда отсутствовала. Потребитель мог точно знать только о двух состояниях: батарея заряжена и батарея разряжена. Любые промежуточные состояния определялись только «на глаз». Часто это напоминало сюжет знаменитой книжки Г. Остера, в которой удава измеряли «в попугаях». Так, например, опытный фотограф всегда знал, что со свежими батарейками он сможет сделать примерно 40 снимков. В итоге степень разряда определялась в фотографиях.

Естественно, что с расцветом мобильных устройств ситуация стала очень быстро меняться. Сейчас ни один смартфон не обходится без индикатора заряда на экране. Если индикатор заполнен – значит все в порядке, если он близок к нулю – стоит начать «экономить» энергию, чтобы не остаться без связи.

Примеры смартфонов, планшетов, плееров и портативных приставок очень показательны в плане удобства функции определения уровня заряда. Однако есть приложения, в которых эта задача стоит еще более остро. Например, если речь идет о портативных медицинских приборах, то неожиданный разряд аккумулятора может стоить человеку жизни. Не такие трагичные, но все-таки неприятные последствия могут возникнуть, если в длительном путешествии сядет аккумулятор электромобиля, а ближайшая розетка окажется в ста километрах.

В итоге измерение заряда аккумуляторов оказывается весьма актуальной задачей. При этом над проблемой повышения точности бьются все крупнейшие производители электронных компонентов. Существует множество запатентованных фирменных методов измерения, которые обещают не только минимизацию погрешностей, но и значительное упрощение процесса разработки устройства в целом. Примером этого является технология ModelGauge, созданная компанией Maxim Integrated.

Сейчас фирменная технология измерения ModelGauge имеет четыре версии:

• ModelGauge – наиболее простоя реализация для малогабаритных и бюджетных устройств;
• ModelGauge m3 – вариант для приложений с повышенными требованиями к точности измерений;
• ModelGauge m5 – реализация, обеспечивающая исключительную точность измерений, отличную надежность и высокий уровень безопасности;
• ModelGauge m5 EZ – версия, которая ко всем преимуществам ModelGauge m5 добавляет возможность работы с различными видами аккумуляторов без необходимости построения моделей их разрядных характеристик.

Проанализируем преимущества ModelGauge перед другими способами определения заряда аккумуляторов. Особое внимание уделим микросхемам MAX1702x1/MAX1702x5, которые используют алгоритмы ModelGauge m5 и ModelGauge m5 EZ.

Прежде чем приступить к анализу методов измерений, стоит определиться с самой постановкой задачи и решить, что, собственно, требуется измерять.

Измерение степени заряда аккумулятора

Каждый инженер или продвинутый пользователь знает, что номинальная емкость аккумулятора чаще всего приводится в ампер-часах (А•ч) или миллиампер-часах (мА•ч). Этот параметр позволяет судить о том, насколько долго проработает аккумулятор при заданном токе. Например, если емкость равна 1000 мА•ч, то при разряде постоянным током 1 А время работы составит 1 час.

В принципе, измерение заряда в мА•ч достаточно удобно для инженера. Зная емкость батареи и действующий ток, можно определять степень разряда. Однако этот способ непрактичен для потребителей, так как приходится держать в голове характеристики аккумуляторов (фотоаппарата, смартфона, плеера), а это крайне неудобно. По этой причине вводится такой относительный параметр как степень разряда или степень заряда аккумулятора.

Степень заряда аккумулятора (State of Charge, SOC) измеряется в процентах и показывает, какая часть от полного заряда еще остается запасенной в аккумуляторе. Впрочем, тут нужно быть осторожным и отметить, что в данном случае величина полного заряда не соответствует заряду при номинальной емкости. Дело в том, что в процессе эксплуатации реальная емкость аккумулятора падает и к концу срока службы может снижаться в среднем на 20%.Еще больше емкость зависит от температуры и значения тока разряда.

Таким образом, если взять за 100% номинальную емкость аккумулятора, то даже новый элемент питания невозможно будет зарядить до 100%, если, к примеру, температура среды упадет всего на один градус.

Чтобы избежать таких сложностей, при расчете SOC используют реальную емкость данного аккумулятора. В итоге показатель степени заряда SOC оказывается независимым от величины емкости, температуры, нагрузочного тока и времени службы.

Обзор методов измерения степени заряда аккумулятора

Существует множество различных методов измерения степени заряда аккумулятора. Некоторые из них являются достаточно специфичными. Однако при их оценке можно использовать объективные показатели, такие, например, как точность измерений, сложность реализации, стоимость и габариты.

Прямые измерения с помощью приборов. Этот метод подходит для ограниченного спектра приложений, в которых аккумулятор работает с неизменным сопротивлением нагрузки. При этом используется зависимость постоянного выходного тока от значения степени разряда. Как известно, если при разряде элемента питания сопротивление нагрузки остается неизменным, то ток уменьшается. Зная значение тока, можно определить степень разряда.

Однако все это остается верным только при выполнении нескольких условий: при отсутствии импульсной нагрузки и наличии выверенной разрядной кривой. Это связано с тем, что зависимость степени заряда от нагрузочного тока оказывается нелинейной. Стоит току измениться – точность измерений резко падает.

Дополнительные проблемы вносят старение батарей и температурная зависимость характеристик.

Данный метод имеет значительную погрешность и используется достаточно редко. Главным его достоинством является простота реализации с помощью подручных средств.

Химический метод определения степени заряда. Суть метода заключается в вычислении концентрации химических реагентов в растворе электролита. Пока что данный метод достаточно далек от сферы мобильной электроники.

Определение степени заряда по напряжению аккумулятора. Хорошо известно, что при разряде аккумулятора его напряжение падает. Естественно, возникает желание использовать эту зависимость для определения SOC – ведь в этом случае потребуется всего лишь один АЦП. Однако не все так просто.

К сожалению, зависимость мгновенного напряжения на аккумуляторе от степени разряда не является однозначной. Одному и тому же значению мгновенного напряжения могут соответствовать разные уровни SOC. На рисунке 1 представлены временные диаграммы изменения напряжения и степени заряда. Как видно из графика, одному и тому же значению мгновенного напряжения 3,8 В соответствует SOC 2%, 50% и 75%. Таким образом, в реальных условиях разброс может достигать десятков процентов.

Рис. 1. Соответствие степени заряда и мгновенного напряжения в цикле работы

Вместе с тем, по форме представленные графики схожи, а значит использовать значения напряжения для расчета SOC можно на некоторых участках. Однако есть и другие подводные камни.

Во-первых, напряжение аккумулятора имеет нелинейную зависимость от величины тока нагрузки (рисунок 2).

Рис. 2. Типовая зависимость напряжения Li-ion-аккумулятора от характеристик разряда

Во-вторых, напряжение аккумулятора имеет нелинейную зависимость от температуры (рисунок 3).

Рис. 3. Типовая зависимость напряжения Li-ion-аккумулятора от температуры

Таким образом, простота реализации данного метода очень часто перекрывается низкой точностью. Тем не менее, в самых простых случаях его можно использовать, например, чтобы не допускать критического разряда элементов питания.

Как видим, простые методы измерений не обеспечивают высокой точности, и приходится прибегать к более сложным решениям.

Метод интегрирования тока. Данный метод предполагает использование быстродействующих АЦП для измерения и суммирования мгновенных токов.

Алгоритм действия данного метода следующий: мгновенный ток преобразуется в напряжение с помощью датчиков тока (датчики Холла, шунты, магниторезистивные сенсоры и так далее). Полученное напряжение оцифровывается с помощью быстродействующего АЦП. Полученные отсчеты интегрируются с помощью процессора или микроконтроллера. Зная суммарный ток, можно определить, сколько энергии отдал аккумулятор.

Как уже говорилось, номинальная и реальная емкость аккумулятора могут значительно отличаться. По этой причине при измерениях требуется знать, сколько энергии может реально хранить аккумулятор. В итоге, чтобы рассчитать SOC, вначале требуется определить энергию, закачанную в элемент питания. Для этого необходимо измерять ток в процессе заряда. Реальное значение емкости, полученное при заряде аккумулятора, можно считать за 100% только с оговорками. Практика показывает, что при заряде часть мощности приходится на нагрев. Кроме того, имеет место эффект саморазряда. В итоге закачанная мощность всегда будет больше той мощности, которую вернет аккумулятор.

Существуют различные готовые микросхемы, работающие по данному принципу. Они объединяют в одном корпусе таймеры, АЦП, цепи тактирования и питания.

Метод позволяет достигать высокой точности определения SOC, так как измерения зарядных и разрядных токов производятся с малой погрешностью. Вместе с тем, есть у него и недостатки. Интегрирование оказывается эффективным только при постоянных или медленно меняющихся токах. При импульсных нагрузках часть энергии останется неучтенной даже при использовании самых быстрых АЦП. На рисунке 4 показан худший случай при работе с импульсным током. Каждый раз в моменты измерения (отсчеты времени 1…8) АЦП получал одно и то же значение. В итоге система полагала, что ток постоянный, в то время как на самом деле скорость разряда менялась, а степень разряда оказывалась выше.

Рис. 4. Ошибка измерений при импульсном характере нагрузки

Приведенная погрешность, очевидно, имеет свойство накапливаться. Ее устранение возможно при обнулении в калибровочных точках: при полном разряде или полном заряде аккумулятора.

Метод измерения импеданса аккумулятора. В процессе эксплуатации аккумулятора концентрация носителей заряда в активном веществе электролита меняется. Измеряя импеданс элемента питания, можно определить степень его заряда.

Данный алгоритм оказывается достаточно перспективным особенно с учетом появления специализированных микросхем. Его достоинством можно считать высокую точность. Однако он требует циклов «обучения» и калибровки для получения конкретной зависимости. Кроме того, для реализации алгоритма необходима достаточно сложная схема с дополнительными компонентами.

Метод измерения напряжения OCV. Несмотря на большую погрешность, в некоторых случаях значение степени заряда может быть определено с помощью мгновенного напряжения на аккумуляторе. Этот метод можно значительно улучшить, если использовать в расчетах не мгновенное, а установившееся значение напряжения, а в идеале – установившееся напряжение на разомкнутых контактах (Open Contact Voltage, OCV).

Дело в том, что напряжение на разомкнутых контактах имеет практически идеальную линейную зависимость от степени заряда (рисунок 5).

Рис. 5. Зависимость степени разряда от напряжения на разомкнутых клеммах

Однако не все так просто. Чтобы на клеммах аккумулятора появилось «истинное» значение установившегося напряжения OCV, он должен быть отключен от нагрузки и выдержан при номинальной температуре до 8…9 часов. Очевидно, что выполнить эти условия не всегда возможно. Однако рассчитать OCV по мгновенному напряжению и дополнительным параметрам вполне реально. Именно такой подход и использует компания Maxim в своей технологии ModelGauge.

ModelGauge – фирменные методы измерения от Maxim

В настоящий момент компания Maxim Integrated предлагает сразу несколько версий фирменного алгоритма ModelGauge.

Данный алгоритм основан на вычислении степени разряда аккумулятора по напряжению на разомкнутых клеммах OCV. Само напряжение OCV рассчитывается с помощью фирменной параметрической модели, которая использует мгновенное значение напряжения и учитывает не только температурную зависимость, но и зависимость от тока нагрузки, и даже старение аккумулятора.

Учет старения аккумуляторов – важное достоинство ModelGauge. Все аккумуляторы со временем теряют емкость. Потери емкости зависят и от числа циклов заряда-разряда. На рисунке 6 показана типовая зависимость величины емкости от числа циклов заряда-разряда для литий-ионных аккумуляторов. Для них снижение емкости при нормальных условиях (25°С, разряд номинальным током 1С, заряд половиной от номинального тока С/2) обычно составляет около 20%.

Рис. 6. Изменение емкости высокостабильного аккумулятора в процессе эксплуатации

Еще одним достоинством ModelGauge является устойчивость при работе с импульсными нагрузками. Даже если система не успевает отследить все всплески напряжения, общая тенденция по снижению напряжения все равно будет учтена (рисунок 7). Погрешность будет самоустраняться с течением времени, а не накапливаться, как в рассмотренном выше методе с интегрированием токов.

Рис. 7. Шумы при наличии импульсных нагрузок не приводят к накоплению погрешностей

Преимуществами ModelGauge являются:

• простота реализации – требуется измерять только температуру и напряжение;
• привлекательная стоимость конечного решения – не нужны дополнительные компоненты (шунты, делители и так далее);
• минимальное потребление. Например, микросхемы MAX17048/MAX17049 в режиме сна потребляют всего 3 мкА;
• отсутствие необходимости в калибровочных циклах «заряд-разряд», как в случае с измерением импеданса аккумулятора;
• учет температурной зависимости;
• учет старения;
• отсутствие накапливающейся погрешности при импульсном потреблении;
• минимальные габариты.

Однако ради справедливости стоит признать, что точность данного алгоритма уступает точности, которую обеспечивает метод с интегрированием токов, особенно для краткосрочных измерений. Это связано с тем, что какой бы идеальной не была математическая модель, она все-таки остается моделью и не может учесть все особенности реальных приложений. В компании Maxim это прекрасно понимают, поэтому выпустили микросхемы, работающие по усовершенствованным алгоритмам ModelGauge.

Алгоритм ModelGauge m3 объединяет краткосрочную точность метода с интегрированием токов и долгосрочную стабильность ModelGauge.

Микросхемы с ModelGauge m3 учитывают втекающие и вытекающие токи, как и в методе с интегрированием токов. Однако сброс накапливающейся погрешности происходит не только в крайних точках (при полном заряде или полном разряде аккумулятора) – поправки вносятся прямо по ходу работы с учетом данных от математической модели ModelGauge. Получаемая точность измерения степени заряда оказывается лучшей среди аналогичных микросхем.

Алгоритм ModelGauge m5 – дальнейшее развитие ModelGauge m3. Микросхемы, реализующие ModelGauge m5, имеют на борту дополнительные компоненты:

• встроенный датчик температуры;
• энергонезависимую память для подсчета числа циклов заряда и разряда;
• поддержку хеш-функции SHA-256, которая позволяет распознавать фирменные аккумуляторы.

Алгоритм ModelGauge m5 EZ. Если алгоритм ModelGauge m5 предполагает подстройку под характеристики конкретного типа аккумуляторов, то алгоритм EZ использует некоторую усредненную модель. Конечно, она не может быть идеальной для всех типов элементов питания, зато алгоритм можно применять для широкого круга аккумуляторов без дополнительной подстройки и изучения их характеристик. ModelGauge m5 EZ позволяет минимизировать время на разработку, что очень важно для современного рынка.

Та как компания Maxim предлагает сразу четыре версии ModelGauge, то выбор оптимального варианта стоит делать с учетом конкретного приложения.

Рекомендации по выбору версии ModelGauge для конкретного приложения

Каждая из версий ModelGauge имеет свои достоинства (таблица 1). Выбор реализации алгоритма следует делать с учетом требований конкретного приложения.

Таблица 1. Сравнение версий технологии ModelGauge

Параметр	Параметры
	MAX17048/MAX17049	MAX17047/MAX17050	MAX172x1х	MAX172x5х
Метод измерения	ModelGauge	ModelGauge m3	ModelGauge m5	ModelGauge m5
Ток потребления, мкА	3	25	9	12
Габариты микросхемы, мм	0,9×1,7	1,5×1,5	1,6×2,34	1,6×2,34
Шунтовый резистор	Не требуется	Требуется	Требуется либо используется печатный проводник	Требуется либо используется печатный проводник
Измерение температуры	Осуществляется микроконтроллером	Осуществляется с помощью внешнего термистора или микроконтроллером	Встроенный датчик + внешний термистор	Встроенный датчик + внешний термистор
Энергонезависимая память	–	–	Есть	Есть
Учет старения и числа циклов заряда-разряда	–	–	Есть	Есть
Встроенная модель EZ	–	–	Есть	Есть
Аутентификация	–	–	SHA-256	SHA-256
Поддержка конфигураций	1S, 2S (MAX17049)	1S	1S	до 15S; с балансировкой: 2S, 3S

Рассмотрим примеры типовых требований.

Простота схемотехнической реализации. Если данное требование является основным, а высокие показатели точности остаются на заднем плане, то стоит использовать микросхемы с поддержкой начальной версии алгоритма ModelGauge. Например, мониторы MAX17048/MAX17049 требуют всего лишь одного внешнего конденсатора (рисунок 8). При этом стоит помнить, что для настройки этих микросхем требуется микроконтроллер, который должен самостоятельно производить измерения температуры и посылать данные в MAX17048/MAX17049 по интерфейсу I 2 C.

Рис. 8. Схема включения MAX17048/MAX17049

Высокая точность и простота реализации. Если необходимо получить низкую погрешность измерений SOC, а также не тратить времени на исследование характеристик аккумуляторов, то идеальным выбором станет ModelGauge m5 EZ. Этот алгоритм поддерживают представители семейства MAX172xx.

Максимальная точность. Максимальную точность обеспечивают микросхемы с ModelGauge m3/m5. При этом, микросхемы MAX17047/MAX17050 с ModelGauge m3 не выполняют подсчета циклов заряда-разряда, и эту функцию должен взять на себя микроконтроллер. Для измерения температуры микросхемы требуют дополнительного термистора.

ModelGauge m5 могут самостоятельно подсчитывать циклы заряда-разряда и имеют в своем составе датчик температуры. Для повышения точности измерения возможно подключение пары дополнительных внешних термисторов.

Минимальное потребление. При необходимости жесткой экономии ресурсов аккумулятора следует использовать микросхемы MAX17048/MAX17049 с ModelGauge. Их потребление составляет всего 3 мкА. Типовое значение питающих токов для ModelGauge m5 равно 9 мкА. Самое значительное потребление у ModelGauge m3 – до 25 мкА.

Минимальные габаритные размеры. В данном случае идеальным выбором снова станут микросхемы MAX17048/MAX17049 с ModelGauge, так как они требуют только одного внешнего конденсатора, а собственные габариты составляют всего лишь 0,9×1,7 мм.

Надежность и защита от нелицензионных аккумуляторов. Только мониторы MAX172xx с технологией ModelGauge m5 имеют встроенную поддержку функции хеширования SHA-256. Она позволяет распознавать лицензионные аккумуляторы и сообщать процессору об использовании «неуставных» элементов питания.

Поддержка аккумуляторных батарей с числом ячеек более двух. Такой функцией могут похвастаться только MAX172x5 с технологией ModelGauge m5. При их использовании число последовательно соединенных аккумуляторов может достигать 15 штук.

Микросхемы MAX172xx с технологией ModelGauge m5 – наиболее совершенные представители в номенклатуре мониторов напряжения производства компании Maxim Integrated. Рассмотрим их подробнее.

Обзор микросхем MAX172xx с технологией ModelGauge m5

В настоящий момент в состав семейства ModelGauge m5 входят четыре представителя: MAX17201, MAX17205, MAX17211 и MAX17215. Их общими отличительными чертами являются:

• использование алгоритма определения степени заряда ModelGauge m5;
• наличие энергонезависимой памяти для хранения истории операций, параметров и данных пользователя;
• отсутствие необходимости калибровки;
• возможность оценки не только степени заряда, но ориентировочного времени заряда и разряда;
• наличие встроенного датчика для измерения температуры ядра без внешних компонентов;
• поддержка внешних дополнительных термисторов;
• наличие встроенных быстродействующих компараторов для определения перегрузок по току;
• наличие функции сигнализации о событиях и аварийных состояниях;
• встроенная поддержка функции хеширования для распознавания нелицензионных аккумуляторов.

Все модели семейства выпускаются в двух корпусных исполнениях: TDFN-CU/14 и WLP/15 (таблица 2).

Таблица 2. Характеристики микросхем MAX172xx с технологией ModelGauge m5

Параметр	Наименование
	MAX17201	MAX17205	MAX17211	MAX17215
Типы аккумуляторов	1xLi-Ion	Multi-Cell Li-Ion	1xLi-Ion	Multi-Cell Li-Ion
Интерфейс	2-Wire		1-Wire
Энергонезависимая память, байт	156
Измеряемые характеристики	Уровень заряда, ток, температура, время, напряжение
Алгоритм	ModelGauge m5
Uпит, В	2,3…4,9	4,2…20	2,3…4,9	4…20
Корпус	TDFN-CU/14, WLP/15
Траб, °C	-40…85

Между собой микросхемы отличаются типом поддерживаемых аккумуляторов, потреблением и коммуникационным интерфейсом с внешним процессором.

Микросхемы MAX17201 и MAX17211 работают с одиночными ячейками Li-ion и максимальными напряжениями до 4,9 В (рисунок 9).

Рис. 9. Схема включения MAX1702x1/ MAX1702x5 при работе с одной ячейкой Li-ion

MAX17205 и MAX17215 предназначены для контроля степени разряда аккумуляторных батарей с числом ячеек до 15 (рисунок 10). Для них максимальное значение напряжения питания достигает 20 В.

Рис. 10. Схема включения MAX1702x5 с балансировкой до трех ячеек Li-ion

Для связи с внешним процессором MAX17201 и MAX17205 используют интерфейс I 2 C. Для этих же целей в MAX17211 и MAX17215 применяется однопроводной интерфейс 1-Wire.

Также микросхемы отличаются уровнем потребления. В активном состоянии MAX172x1 потребляют 18 мкА, а в режиме сна 9 мкА. У микросхем MAX172x5 потребление несколько выше – 25 мкА в активном режиме и 12 мкА в состоянии сна.

Простота реализации, малое собственное потребление и высокая точность делают микросхемы MAX172x1/MAX172x5 отличным выбором для самых различных приложений – смартфонов и планшетов, портативных игровых приставок, цифровых камер, портативных медицинских приборов и так далее.

Заключение

Измерение степени заряда аккумулятора – сложная задача. Чтобы достичь высокого уровня точности, нужно приложить массу усилий. К счастью, в последнее время появляются интегральные решения, которые значительно упрощают жизнь разработчикам. Примером этого стали новые мониторы заряда аккумуляторов с поддержкой алгоритмов ModelGauge производства компании Maxim Integrated.

Сейчас компания предлагает микросхемы с различными видами реализации этого алгоритма: компактные и бюджетные решения с ModelGauge, сверхточные мониторы степени заряда с ModelGauge m3, сверхточные и защищенные версии с ModelGauge m5, точные и простые модели с ModelGauge m5 EZ.

Наиболее совершенные модели семейства MAX172x1/MAX172x5 используют алгоритм ModelGauge m5. Они способны определять степень заряда Li-ion-аккумуляторов и аккумуляторных батарей с учетом температурной погрешности, величины нагрузочных токов и старения. Кроме того, MAX172x1/MAX172x5 могут оценивать время до полного разряда и заряда. При их этом схемотехническая реализация оказывается крайне простой, а написание драйверов для расчета SOC и вовсе не требуется.

Источник