Typowym sposobem monitorowania stanu ogniwa jest użycie ADC albo komparatora z okienkiem napięciowym. Istnieją także specjalne monitory baterii i wskaźniki ich pojemności. Przy ich doborze trzeba pamiętać, że różne systemy wymagają przy projektowaniu odmiennie rozłożonych priorytetów pośród tych parametrów. Pierwszym w kolejności jest wybór źródła zasilania.
Akumulatory
Ogniwa ładowalne różnią się strukturą i składem chemicznym, od których zależą: moc właściwa (maksymalne natężenie dostarczanego do obciążenia prądu), czas działania i stabilność termiczna, w różnym stopniu wpływające na działanie urządzenia.
Zwykle im wyższa moc właściwa, tym niższy margines bezpieczeństwa, czas życia i koszt. Z biegiem czasu stopień zużycia ogniwa wzrasta, a cykl ładowanie-rozładowanie się pogarsza. Cechują je oprócz tego specyficzne ograniczenia:
- natężenie prądu dostarczanego w określonym zakresie napięcia wyjściowego przez określony czas
- maksymalne natężenie prądu ładowania
- najwyższe napięcie, do jakiego mogą być ładowane
- najniższe napięcie, do jakiego mogą być rozładowywane
- dopuszczalny zakres temperatury ich działania
Powyższe wielkości wyznaczają rozmiary ogniw, a także czas ich życia. Przekraczanie tych ograniczeń przyspiesza ich zużycie, a nawet może doprowadzić do wybuchu. Podstawowe parametry najpopularniejszych ogniw ładowalnych do przenośnych urządzeń elektronicznych zamieszczono w tabeli 1.
Maksymalne bezpieczne napięcie oznacza napięcie ogniwa całkowicie naładowanego. Dalsze ładowanie jest możliwe, ale z ryzykiem (czasem katastrofalnym) zmniejszenia czasu życia. Z kolei minimalne napięcie rozładowania oznacza napięcie ogniwa całkowicie rozładowanego. Dalsze rozładowywanie skraca czas jego życia. Poszczególne cykle ładowania-rozładowania też dodatkowo skracają czas życia ogniwa.
Tabela informuje, że liczba cykli obniżająca czas życia ogniw litowo-polimerowych jest znacznie niższa niż ogniw innych typów. Ogniwa te korzystnie wyróżniają się za to małymi rozmiarami i masą oraz szerokim zakresem napięcia. Ogniwa niklowo-wodorkowe i litowo-jonowe są powszechnie stosowane w przenośnych układach elektronicznych.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe używane są rzadko z powodu ich znacznego ciężaru. Nie mogą być eksploatowane w pełnym zakresie rozładowywania, zbyt je chemicznie obciążającego. Akumulatory kwasowo-ołowiowe i kadmowo-niklowe są dla środowiska szkodliwe, ale jako jedne z najtańszych nadal są szeroko stosowane we wspomagających zasilaczach stacjonarnych.
Koszt samorozładowywania się ogniw
Samorozładowywanie się ogniw jest skutkiem niepożądanych wewnętrznych procesów chemicznych i przyczynia się do obniżania czasu życia ogniw nieużywanych. Pojemność ogniwa 1 C, mierzona w amperogodzinach (C-rate), oznacza, że w ciągu jednej godziny zostanie całkowicie rozładowane prądem o natężeniu 1 A. Ogniwo o pojemności 1Ah tracące w ciągu miesiąca 1% pojemności (zob. tabela 1) będzie się w przybliżeniu rozładowywało prądem:
0,01 Ah/(24×30) h = 13,88 μA.
Gdy natężenie prądu pobieranego przez zasilany układu jest mniejsze, to na czas życia baterii większy wpływ będzie miało samorozładowanie.
Komparator małej mocy monitorujący napięcie baterii
Rysunek 1 przedstawia schemat prostego komparatora do monitorowania akumulatorów, a także przebieg zmian napięcia wyjściowego komparatora w zależności od stanu ogniwa. Zmiana napięcia wyjściowego z wysokiego na niski sygnalizuje stan naładowania ogniwa, a z niskiego na wysoki sygnalizuje jego pełne rozładowanie. Histereza działania i dobór progów umożliwiają właściwą regulację układu.
Komparator charakteryzuje się małymi rozmiarami i małym poborem prądu, tylko 0,9 pA. Użycie rezystorów o dużej rezystancji zapewnia przy napięciu 1,7 V całkowity pobór prądu 2 μA, porównywalny do prądu samorozładowywania ogniwa. Poprawnie wykazuje stan ogniwa, nawet przy jego napięciu minimalnym. W tabeli 2 zebrano wartości rezystorów układu dla napięć progowych monitorowania ogniwa UBAT (UW>N i UN>W).
Wybrane poziomy progowe ustalają węższy zakres histerezy w porównaniu z tabelą 1 dla uwzględnienia tolerancji elementów. Układ na rysunku 1 zapewnia dokładność ±1% napięć przerzutu przy 5% tolerancji rezystorów. Użycie rezystorów o ściślejszej tolerancji zwiększa dokładność progów.
Monitorowanie napięcia ogniw Li-Jon i Ni-Cd
Na rysunku 2 przedstawiono schemat dwuelementowego układu monitorującego napięcie ogniw litowych i Ni-Cd, a także przebieg zmian jego napięcia wyjściowego w zależności od stanu ogniwa. Przy małej liczbie komponentów ustalających poziomy przerzutu i małych rozmiarach układ działa z dokładnością ±1% pod napięciem co najmniej 1,0 V, pobierając mniej niż 1 μA.
Monitorowanie temperatury ogniwa
Wzrost temperatury może zakłócać działanie układu elektronicznego, a nawet go zniszczyć. Oprócz znacznej temperatury otoczenia wzrost ten może być wywołany nadmiernym wydzielaniem się energii w układzie lub zbyt szybkim ładowaniem czy rozładowywaniem. Zbyt wysoka temperatura, niezależnie od przyczyny, powinna powodować wyłączenie układu.
Na rysunku 3 przedstawiono prosty układ monitorujący, wykorzystujący termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC). Termistor ten powinien kontaktować się bezpośrednio z obudową chronionego ogniwa.
Przykładowo termistor taki o nominalnej rezystancji 100 kΩ i tolerancji 0,5% w temperaturze 25°C, w temperaturze 85°C wykazuje rezystancję (RT+NTC) ok. 8,8 kΩ, przy której (przy R1= 1,08 MΩ i R2=120 kΩ) nieodwracające wyjście komparatora przechodzi w stan niski. Wewnętrzna histereza, redukująca wpływ szumów, wynosi 15%. Użyty w układzie na rysunku 3 komparator mieści się w obudowie WLP, pobiera mniej niż 0,5 pA prądu, a cały układ mniej niż 2 μA. (KKP)
