Precyzyjny układ typu fuel-gauge do kontroli stanu naładowania akumulatorów Li-Ion

Bardzo niewiele rzeczy jest bardziej irytujących niż to, że smartfon raportuje 20-procentowy poziom baterii, czyli taki, który powinien wystarczyć na 1–2 godziny działania, ale w praktyce po kilku minutach, chwilę tuż przed tym, jak ekran staje się czarny, wskaźnik spada do 3%, bo układ pomiarowy odpowiadający za SoC jest niedokładny. W niektórych wrażliwych zastosowaniach, takich jak sprzęt medyczny, znajomość poziomu naładowania baterii może być kwestią życia i śmierci, a nieodpowiedzialne podejście producenta do oceny może postawić personel medyczny w bardzo trudnej sytuacji.

Warto zatem dostrzec, że firma STMicroelectronics opracowała rodzinę produktów przeznaczonych do kontroli stanu akumulatorów litowo-jonowych (tzw. fuel-gauge), które na bazie zaszytego w nich algorytmu są w stanie dostarczyć dokładnych i wiarygodnych informacji na temat stanu naładowania baterii. Nowy układ STC3117 jest przykładem takiego rozwiązania, gdzie połączenie sprzętu i oprogramowania zapewnia wysoką funkcjonalność.

Od podstawowego licznika kulombów do precyzyjnego miernika

W najbardziej prymitywnej formie miernik dostępnej pojemności akumulatora jest tzw. licznikiem kulombów. Kulomb (C) to jednostką ładunku elektrycznego – prąd 1 A płynący w ciągu jednej sekundy odpowiada ładunkowi 1 C. Łatwo zgadnąć, że licznik kulombów po prostu mierzy wartość prądu wpływającego i wypływającego z akumulatora w jednostce czasu. Aby uzyskać te informacje, urządzenia mobilne często mają samodzielny układ scalony, który współpracuje z baterią, układem ładującym i głównym mikrokontrolerem. Na bazie policzonych kulombów określany jest ładunek elektryczny doprowadzany i wyprowadzany z akumulatora, a następnie obliczany stan naładowania (State-of-Charge, SoC) w procentach.

 

Rys. 1. Umiejscowienie STC3117 w typowej aplikacji mobilnej

Niestety sam licznik nie daje dobrych wyników, ponieważ nie ma w jego działaniu punktu odniesienia. Ponadto, ponieważ pojemność akumulatora zmniejsza się z upływem czasu, ta metoda staje się zawodna. Liczenie ładunku działa precyzyjnie tylko wtedy, gdy system wie dokładnie, jaka jest całkowita pojemność ogniwa, czyli innymi słowy, o ile procent podnosi się SoC przy wprowadzeniu do akumulatora jednego kulomba.

Inne podejście wiąże stan naładowania z napięciem akumulatora, wykorzystując korelację między tymi wielkościami. W praktyce zapisuje się w pamięci miernika jako tabelę krzywe rozładowania ogniwa dostarczane przez producenta i na tej podstawie wylicza procentową wartość SoC. To także jest niedokładna metoda, ale można ją wykorzystać do kalibracji licznika kulombów. Kiedy napięcie pokazuje, że bateria jest pełna, system resetuje licznik kulombów, aby zapewnić jego dokładność.

Nowa propozycja – STC3117

W przypadku STC3117 ocena stanu naładowania jest połączeniem opisanych dwóch metod i dodatkowo uwzględnia się w szacunkach temperaturę ogniwa. Stąd chip mierzy prąd wpływający i wypływający z ogniwa w czasie, monitoruje napięcie i kontroluje temperaturę. Dane te są dalej obrabiane w oprogramowaniu OptimGauge po to, aby na wyjściu zaprezentować możliwie najdokładniejszy wynik. Co więcej, producenci mogą modyfikować ustawienia algorytmu a także tworzyć własne rozwiązania oceny stanu naładowania na podstawie danych pomiarowych, co zapewnia dużą elastyczność. Przykładem może być obliczanie kondycji akumulatora (State-of-Health, SoH) na podstawie nieprzetworzonych informacji (prąd, temperatura, napięcie), aby szybko wykryć, czy pojemność akumulatora spada w normalnym tempie lub też jest jakiś niezdiagnozowany problem wymagający akcji serwisowej.

 

Rys. 2. Pełne rozwiązanie zasilania z monitoringiem stanu naładowania i obsługą ładowarki, obok rozwiązanie podstawowe

STC3117 zawiera też specjalne wyjście alarmowe ALM, którego stan zmienia się, gdy poziom naładowania baterii jest zbyt niski. Można dołączyć go do wejścia przerwania w mikrokontrolerze po to, aby uruchomić sekwencję kontrolowanego zamykania z zachowaniem wszystkich informacji w pamięci i integralności systemu. Inne funkcje to np. wykrywanie braku baterii lub jej zamiany na inną, co wymusza reset istniejących danych.

Znaczenie algorytmu obliczeniowego, który zamienia wyniki pomiaru ładunku, wprowadzanego do ogniwa podczas ładowania i pobieranego przy rozładowaniu, na informację o procentowym stanie naładowania wynika z tego, że wyniki pomiarów nie są powiązane z tym wskaźnikiem w sposób liniowy, zależą od temperatury i zmieniają się w czasie wraz z kolejnymi cyklami ładowania i rozładowania, a więc razem ze starzeniem się materiałów chemicznych zawartych w akumulatorze.

STC3117 współpracuje z ogniwami dowolnego producenta i dokonuje pomiaru napięcia baterii i liczy kulomby, a więc monitoruje dwukierunkowo ładunek, co zdaniem producenta zapewnia najlepszą dokładność w każdym stanie aplikacji.

 

Rys. 3. Schemat blokowy STC3117

Komunikacja

Raportowanie stanu odbywa się dzięki standardowemu portowi komunikacyjnemu I²C – nie ma potrzeby stosowania określonego typu magistrali lub też korzystania z dodatkowego pinu w złączu akumulatora. Port komunikacyjny I²C jest bardzo wygodny, gdyż jest to rozwiązanie standardowe. Dzięki niemu inżynierowie nie muszą zajmować się obsługą komunikacji na magistrali, dlatego przesyłanie informacji między STC3117 a MCU nie może być prostsze.

Współpraca z ładowarką i rola oprogramowania

Jedną z najbardziej przydatnych funkcji STC3117 jest jego bezpośrednie połączenie z ładowarką, które umożliwia sterowanie układem scalonym ładowarki bez angażowania żadnych dodatkowych linii GPIO mikrokontrolera.

Warstwa oprogramowania obsługuje inicjalizację parametrów baterii i kompensacji temperaturowej wyników. Niemniej w zależności od docelowej dokładności środowiska aplikacji STC3117 może być używany samodzielnie bez kompensacji programowej. W tym przypadku oprogramowanie aplikacyjne wykorzystuje tylko informacje o rejestrze STC3117 do wyświetlenia użytkownikowi SoC baterii. Elastyczność pozwala też wybierać proporcje realizowanych pomiarów między trybem mieszanym, w którym zliczanie kulombów i śledzenie napięcia działają równolegle, a innym, który mierzy napięcie tylko w celu oszczędzania energii. Nawet poziom dokładności jest regulowany, bo nie zawsze jest on potrzebny, a obliczenia zużywają energię.

Charakterystyka, napięcia ogniwa dla otwartego obwodu (Open-Circuit-Voltage, OCV), będąca bazą do powiązania wartości napięcia z SoC, jest w pełni konfigurowalna, dzięki czemu można ją dopasować do specyficznych ogniw (producent, chemia). Układ ma oddzielne końcówki do wykrywania baterii i sterowania ładowarką, co oznacza, że można korzystać z jednej funkcji, a wyłączyć drugą.

Dostępność

STC3117 jest produkowany w bardzo małej 9-pinowej obudowie QFN o wymiarach 1,5×1,6 mm. Małe zużycie energii (typ. 40 μA oraz 2 μA w trybie standby) zapewniono dzięki przyspieszeniu sprzętowemu niektórych obliczeń, takich jak wyliczanie średniego prądu. Sterowniki oprogramowania dla STC3117 są dostępne jako również open source i możliwe do pobrania z biblioteki GitHub.

ST Microelectronics
www.st.com