Pomiar prądu zasilania w układach kontrolujących pracę akumulatorów Li-Ion
| TechnikaUrządzenia zasilane akumulatorowo muszą być wyposażone w układ kontrolujący pracę baterii. Układ taki spełnia przynajmniej trzy bardzo ważne zadania, mianowicie kontroluje proces ładowania baterii, mierzy poziom jej rozładowania oraz zabezpiecza baterię przed uszkodzeniem. W przypadku akumulatorów litowo-jonowych realizacja każdego z tych zadań związana jest z precyzyjnym pomiarem wartości natężenia prądu zasilania.
Akumulatory litowo-jonowe ze względu na swoje korzystne właściwości, m.in. stosunkowo małą masę, od dłuższego czasu stosowane są powszechnie w przenośnym sprzęcie elektronicznym. W ostatnich latach zainteresowanie tego typu rozwiązaniem rozszerza się o kolejne branże, takie jak motoryzacja (w związku z dynamiczną ekspansją pojazdów elektrycznych i hybrydowych), energetyka (magazyny energii dla odnawialnych źródeł energii) czy lotnictwo i przemysł kosmiczny (akumulatory litowo-jonowe znajdowały się m.in. na wyposażeniu łazika marsjańskiego Curiosity).
Nieodłącznym elementem każdego urządzenia zasilanego akumulatorowo jest układ kontrolera baterii, zaś podstawową funkcją takiego układu jest m.in. pomiar poziomu naładowania akumulatorów. W akumulatorach Li-Ion podstawową metodą kontroli poziomu naładowania jest pomiar prądu zasilania (rys. 1). Pomiar ten jest niezbędny również w celu zarządzania procesem ładowania baterii i zabezpieczenia ich przed uszkodzeniem.
Charakterystyka ładowania akumulatorów Li-Ion
Charakterystyka ładowania akumulatorów Li-Ion (rys. 2) wykazuje bardzo słabą zależność pomiędzy stanem naładowania baterii a jej napięciem - podczas rozładowywania i ładowania napięcie zmienia się jedynie w bardzo małym zakresie. Z tego powodu kontrola stanu akumulatora nie może być realizowana bezpośrednio przez pomiar napięcia źródła zasilania, tak jak ma to miejsce w wielu innych rodzajach baterii.
Zamiast tego wykorzystuje się powszechnie metodę zliczania ładunku wpływającego i wypływającego z baterii, czyli integrację (całkowanie) natężenia prądu zasilania. Znając początkowy stan akumulatora (ilość zgromadzonego tam ładunku) i kontrolując w sposób ciągły prąd zasilania, można z bardzo dobrą dokładnością określić pozostałą w źródle zasilania ilość ładunku, czyli poziom jego naładowania. Kluczowy wpływ na skuteczność tej metody ma dokładność pomiaru natężenia prądu.
Właściwe zarządzanie pracą baterii Li-Ion jest ważne również z innych powodów - tego typu układy mają ściśle określony zakres dozwolonych warunków pracy, takich jak temperatura, napięcie oraz prąd zasilania. Przekroczenie dopuszczalnych wartości może skutkować nie tylko skróceniem czasu życia baterii, ale również jej uszkodzeniem lub całkowitym zniszczeniem, co może prowadzić do zapłonu, wybuchu lub rozszczelnienia (wycieku elektrolitu), czyli bezpośredniego zagrożenia dla zdrowia i życia użytkowników.
Przykładowy układ kontrolera akumulatorów
Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy typowego układu kontrolera baterii Li-Ion. W jego skład wchodzą obwody zabezpieczające oraz układ pomiaru natężenia prądu zasilania pozwalający określać stan baterii. Obwód zabezpieczający składa się z dwóch elementów ochronnych. Podstawowym zabezpieczeniem jest zespół przełączników zbudowany na tranzystorach polowych (FET) w konfiguracji back-to-back.
Przełącznikami steruje układ kontrolny, które może dokonać ich otwarcia w przypadku wykrycia symptomów błędnej pracy, takich jak zbyt wysokie lub niskie napięcie (over- lub undervoltage) lub zbyt wysokie natężenie prądu zasilania (overcurrent). Dodatkowe zabezpieczenie stanowi trójkońcówkowy bezpiecznik termiczny, który rozłączy obwód przy nadmiernej temperaturze wywołanej np. zbyt wysokim natężeniem prądu.
Element ten pełni funkcję zabezpieczenia redundantnego, które ma ochronić urządzenie w przypadku awarii podstawowego obwodu zabezpieczającego. Może zostać otwarty również przez układ sterujący w przypadku detekcji braku reakcji podstawowego zabezpieczenia. Aktywowanie bezpiecznika jest działaniem ostatniej szansy, ponieważ powoduje trwałe rozłączenie układu.
Układ pomiarowy kontroluje natężenie prądu akumulatora. Składa się z bocznika oraz układu wzmacniacza z funkcją wykrywania prądu (current sense amplifier). Wartość natężenia prądu oblicza się poprzez pomiar napięcia na końcówkach rezystora o stałej i znanej rezystancji - zgodnie z prawem Ohma napięcie to jest proporcjonalne do natężenia prądu przepływającego przez element (U=I×R).
Integracja natężenia prądu pozwala obliczyć pozostałą w baterii ilość ładunku. Wykorzystując dodatkowo pomiar temperatury oraz napięcia na zaciskach baterii, można z dobrą dokładnością oszacować całkowitą pojemność akumulatora oraz obliczyć czas pozostały do jego rozładowania oraz inne wymagane przez system parametry.
Wybór bocznika
Dobór parametrów bocznika (rezystora wykorzystywanego do pomiaru natężenia prądu), takich jak wartość rezystancji, jej tolerancja czy fizyczne wymiary, zależy od przewidywanego zakresu mierzonego natężenia prądu. Im większa wartość rezystancji, tym możliwe jest osiągnięcie większej dokładności pomiaru, przy jednoczesnym większym spadku napięcia na rezystorze, co obniża napięcie zasilania układu i sprawność energetyczną. Dla zasilanych bateryjnie urządzeń niskiej mocy zaleca się stosowanie boczników o wartościach rzędu setnych lub tysięcznych części oma, aby zminimalizować wpływ elementu pomiarowego na pracę układu.
Typowy rezystor jest biernym elementem elektronicznym o dwóch wyprowadzeniach, czyli dwójnikiem, zaś do dokładnego pomiaru natężenia prądu wykorzystuje się często rezystory o czterech wyprowadzeniach (czwórniki), po dwa z każdej strony elementu.
Dwa z nich przeznaczone są, tak jak w zwykłym rezystorze, do zapewnienia przejścia w obwodzie, zaś dodatkowa para służy do pomiaru napięcia odkładającego się na elemencie. Takie rozwiązanie pozwala uzyskać dokładniejszy wynik pomiaru, ponieważ częściowo eliminuje wpływ zakłóceń wnoszonych przez pasożytniczą rezystancję ścieżek obwodu drukowanego i ogranicza wpływ spadku napięcia na doprowadzeniach.
Zwykły rezystor dwójnik również może zostać wykorzystany jako element pomiarowy (w dodatku jest to tańsze rozwiązanie), należy tylko pamiętać o odpowiednim poprowadzeniu ścieżek między wyprowadzeniami elementu a wejściem toru pomiarowego (rys. 4). Ścieżki powinny prowadzić bezpośrednio do pól wyprowadzeń rezystora, nie zaś do linii zasilania, co pozwala wyeliminować dodatkowe rezystancje pasożytnicze.
Napięcie offsetu wzmacniacza
Wyjściowe napięcie niezrównoważenia (offsetu) wzmacniacza to napięcie na wyjściu wzmacniacza przy zerowej różnicy potencjałów na jego wejściu. Należy dążyć do minimalizacji tej wartości, ponieważ nie tylko wpływa ona negatywnie na dokładność pomiaru, ale również określa minimalną mierzalną wartość spadku napięcia na elemencie pomiarowym.
Im mniejszy spadek napięcia, tym mniejsze straty energii związane z pomiarem natężenia prądu i dłuższy czas pracy baterii. Dodatkowo mniejsze straty oznaczają konieczność rozproszenia mniejszej ilości energii, czyli łatwiejsze zarządzanie charakterystyką termiczną urządzenia.
Dopuszczalny zakres napięcia wejściowego sygnału wspólnego wzmacniacza
Nie wszystkie dostępne układy wzmacniaczy oferują możliwość pracy z napięciem wejściowym sygnału wspólnego o wartości równej lub niższej niż 0 V. Jeśli układ pomiarowy zasilany jest z akumulatora, którego pracę monitoruje, prawdopodobnie nie będzie konieczności pomiaru prądu o zerowym natężeniu. Możliwość detekcji jak najniższych wartości natężenia prądu zawsze jest jednak dodatkowym atutem.
Jedno- i dwukierunkowy pomiar natężenia prądu
Układ monitorujący pracę akumulatorów powinien być zdolny do pomiaru dodatnich i ujemnych wartości natężenia prądu zasilania, aby móc kontrolować zarówno proces ładowania, jak i rozładowywania. Nie wszystkie układy polecane do pomiaru natężenia prądu mają zdolność pracy dwukierunkowej, warto zatem dokładnie sprawdzić dokumentację produktu.
Układ dwukierunkowy powinien mieć dodatkowe wejście dla napięcia odniesienia, które będzie określało wartość napięcia wyjściowego przy zerowej wartości mierzonego prądu. Wartości sygnału wyjściowego poniżej poziomu odniesienia będą oznaczać ładowanie, zaś powyżej rozładowywanie akumulatora.
Ochrona akumulatorów
Pomiar prądu zasilania może być również wykorzystany do zabezpieczenia baterii przed uszkodzeniem. Układy sterowania, po detekcji natężenia prądu przekraczającego dopuszczalne wartości, mogą uruchomić układy zabezpieczające, które rozłączą obwód. Duże znaczenie ma tutaj szybkość reakcji, która związana jest głównie z takimi parametrami wzmacniacza, jak szybkość zmian napięcia wyjściowego i pasmo przenoszenia.
Informacja o wielkości natężenia prądu baterii może być również bardzo ważna we właściwym zarządzaniu właściwościami termicznymi urządzenia. Pozwala to nie tylko monitorować (do tego świetnie nadają się czujniki temperatury), ale również przewidywać wzrosty temperatury urządzenia.
Można zatem niejako z wyprzedzeniem uruchamiać poszczególne elementy układu chłodzenia, aby szybciej przeciwdziałać nadmiernemu nagrzewaniu się systemu. Jest to możliwe, ponieważ prąd zasilania jest proporcjonalny do mocy pobieranej ze źródła zasilania, która potem musi zostać rozproszona w układzie w głównej mierze w postaci ciepła. Wzrost natężenia prądu informuje zatem o zwiększonej produkcji ciepła w układzie.
Podsumowanie
Precyzyjny pomiar natężenia prądu jest nieodłącznym elementem układów kontrolujących pracę baterii Li-Ion. Jego dokładność ma krytyczne znaczenie dla zdolności monitorowania procesu ładowania i rozładowywania akumulatorów oraz bezpieczeństwa urządzenia.
W sprzedaży dostępne są gotowe rozwiązania w postaci układów scalonych przeznaczonych do monitorowania pracy baterii oraz pomiaru prądu zasilania, możliwe jest także samodzielne skonstruowanie takiego obwodu z wykorzystaniem elementów dyskretnych.
Damian Tomaszewski
