Puterea furnizată unui sistem de către acumulatori dă viaţă acestuia. Un bun management al acumulatorilor este absolut necesar, stând la baza unui produs optimizat. O gestionare slabă a alimentării de la acumulatori erodează puternic şansele de succes ale produsului. O asemenea parte critică a sistemului trebuie cunoscută, planificată în avans şi optimizată.
Un număr tot mai mare de produse sunt transformate în produse portabile, crescând în acelaşi timp în complexitate şi scăzând în dimensiune. Managementul alimentării este în acest caz un element critic pentru orice proiectant care doreşte satisfacerea necesităţilor clienţilor. Aceştia solicită o mai mare flexibilitate, durată mai mare de operare, preţ mai mic şi siguranţă sporită. Pentru a oferi suport transformărilor menţionate, tehnologia de reîncărcare a acumulatorilor este în continuă schimbare: tensiunile pe celulă cresc, factorul de formă se modifică şi densitatea energetică sporeşte.
Abordare cu patru faze la nivel de sistem
Un sistem tipic de gestionare a acumulatorilor poate fi divizat în 4 blocuri: încărcare, măsurarea încărcării, securitate şi protecţie (figura 1). Acest articol va explora fiecare dintre aceste secţiuni pentru a ajuta proiectanţii în optimizarea managementului acumulatorilor în produsele portabile.
Planificarea şi partiţionarea
Trebuie abordate cu atenţie câteva consideraţii cu privire la ce faze de management trebuie implementate şi cum funcţiile din cadrul fiecărei faze trebuie partiţionate în sistem. Planificarea timpurie şi abordarea cu atenţie a problemelor, asigură pentru sistem o bază energetică solidă. Selectarea unei structuri chimice potrivite a acumulatorului, de exemplu luând în considerare factori precum dimensiunea fizică şi masa, timpul de operare şi domeniile temperaturii de stocare (figura 2).
Configuraţia pachetului de baterii va fi dictată de valorile minime, maxime şi nominale de tensiune, de curentul de încărcare şi descărcare, precum şi de capacitatea necesară pentru a respecta necesarul în funcţionare. Poziţia încărcătorului (solicitată în toate aplicaţiile, dar în special în cazul sistemelor atipice) este de asemenea importantă. Încărcătorul poate fi în sistem, în pachetul de baterii sau în afara sistemului. Încărcarea în sistem are sens pentru un acumulator integrat, dar poate fi neconvenabilă pentru pachete detaşabile – în special dacă utilizatorul are mai mult de un pachet de acumulatori. Unele dispozitive pot include atât încărcare cât şi un încărcător opţional extern. Includerea încărcătorului în pachetul de acumulatori asigură posibilitatea de încărcare în sau în afara sistemului.
Acumulatorul şi cerinţele sistemului ajută la determinarea topologiei încărcătorului (figura 3).
Următoarea consideraţie este făcută asupra măsurării încărcării.
Ca piesă centrală a unui bun sistem de management, măsurarea încărcării asigură un management dinamic al puterii, oferind informaţii precise despre acumulatori şi condiţiile generale de operare pentru durata de viaţă a pachetului de acumulatori. Tipul de interfaţă de comunicaţie dintre blocul de măsurare a încărcării şi sistem este de mare importanţă. Dacă un anumit protocol de comunicaţie este deja utilizat în altă parte a sistemului, el forţează la utilizarea aceluiaşi protocol de comunicaţie cu blocul de măsurare. Dacă pachetul de acumulatori este detaşabil, este important de determinat unde să fie plasat blocul de măsurare a încărcării: în sistem sau în pachetul de acumulatori. Dispozitivele de determinare a încărcării sunt cele mai potrivite, dacă pentru garanţie sunt necesare informaţii cu privire la istoric şi la operare. Un astfel de dispozitiv plasat în sistem nu poate păstra informaţiile pentru multiple pachete detaşabile.
Un alt element important este dacă informaţiile cu privire la acumulatori să fie incluse pe ecranul sistemului, pe un afişaj special, sau amândouă. Unele pachete detaşabile de acumulatori conţin mici afişaje cu privire la starea de încărcare, înlăturând necesitatea de a introduce acumulatorul în sistem pentru a determina capacitatea rămasă.
În final rămân de stabilit şi alte elemente. Dacă protecţia este inclusă în pachetul de acumulatori, responsabil pentru protecţia secundară va fi un CI de protecţie separat, blocul de măsurare a încărcării sau amândouă? Ce nivel de securitate va fi necesar? Dacă autentificarea acumulatorului este inclusă, răspunsul sistemului la un acumulator neidentificabil trebuie să dezactiveze o porţiune a sistemului (precum reîncărcarea) sau va închide întregul sistem? Dispunând de atâtea opţiuni, proiectarea unui sistem de management al acumulatorilor oferă o gamă largă de posibilităţi.
Încărcarea
Au fost dezvoltate diferite circuite şi algoritme de încărcare pentru reîncărcarea potrivită a acumulatorilor cu diferite compoziţii chimice. Factorii importanţi necesar a fi luaţi în considerare aici sunt timpul de încărcare, domeniul de temperatură şi cerinţele de zgomot, precum şi locaţia încărcătorului în raport cu sistemul. CI pentru managementul încărcării oferite de Microchip Technology, Inc. includ încărcătoare liniare pentru seriile de acumulatori single şi duali, pachete de litiu ion/polimer (figura 4).
Zgomotul redus de ieşire al acestor încărcătoare liniare poate fi important pentru sisteme care transmit şi recepţionează voce şi date.
Pentru proiecte ce necesită randament mai ridicat şi o disipare redusă de putere, controlerul de încărcare cu mod de comutaţie PS200 este capabil de frecvenţe de comutaţie de până la 1MHz. El include algoritme de încărcare pentru acumulatori cu diferite structuri chimice: cu litiu, pe bază de nichel şi pe bază de plumb. Deoarece proiectul unui încărcător cu comutaţie poate fi complex, Microchip oferă o unealtă software de ghidare a proiectanţilor în ceea ce priveşte configuraţia CI.
O alternativă la utilizarea unui dispozitiv încărcător este utilizarea unui CI de măsurare a încărcării înzestrat cu funcţie de control a încărcării. Microchip PS501 poate îndeplini această cerinţă cu un circuit de încărcare cu pulsuri, comandat de intrări/ieşiri de uz general. Această topologie oferă o soluţie economică foarte compactă. Fără a conta cum este partiţionată porţiunea de încărcare a sistemului, Microchip furnizează algoritme de optimizare a încărcării prin maximizarea capacităţii şi minimizarea timpului de încărcare, pentru a oferi clienţilor cel mai mare grad de satisfacţie.
Măsurarea încărcării
Măsurarea precisă a încărcării nu numai că monitorizează curentul de intrare şi ieşire din pachetul de acumulatori, dar ia de asemenea în considerare modele tipice de utilizare, condiţiile de mediu şi aşteptările clienţilor. Algoritmele inteligente de măsurare duc la extinderea duratei de funcţionare a sistemului şi la creşterea duratei de viaţă a acumulatorilor, oferind siguranţă suplimentară prin detectarea precisă a punctelor de complet încărcat şi complet descărcat. Ele pot de asemenea detecta şi preveni condiţii de instabilitate şi încălzire excesivă, pot face adaptări la condiţiile sistemului şi pot face compensaţii în funcţie de vârsta acumulatorului. Sunt utilizate modele configurabile de comportamente ale acumulatorilor, pentru a asigura detectarea corectă a pierderilor de autodescărcare şi acceptarea încărcării. Algoritmele sunt particularizabile pentru a oferi utilizatorilor informaţii relevante. Determinarea inteligentă şi precisă a încărcării poate fi obţinută cu ajutorul gamei specializate de circuite integrate de la Microchip.
Închiderea neaşteptată a sistemului este unul dintre primii factori ce cauzează insatisfacţia clienţilor. Tensiunea acumulatorului poate cădea dramatic atunci când sarcina creşte, în special în apropiere de punctul de descărcare, când panta curbei de descărcare creşte. Pentru evitarea unei închideri neaşteptate, algoritmele Microchip se bazează pe informaţii despre cerinţele energetice ale sistemului la închidere (figura 5).
Dispozitivul de măsurare a încărcării selectează corect punctul de închidere pentru a asigura suficiente rezerve de energie pentru avertizare şi salvare de date. Punctul de închidere este de asemenea variabil în timp. Odată cu îmbătrânirea acumulatorului, scade capacitatea de încărcare completă şi este afectat profilul de tensiune al curbei de descărcare. Algoritmele de vârstă reglează punctul de închidere în funcţie de acumulator.
Protecţie
Pentru acumulatorii litiu-ion/ polimer, protecţia este necesară datorită supraîncărcării sau supraîncălzirii care pot provoca incendii sau explozii. Pentru acumulatorii cu acid sau cei pe bază de nichel, protecţia este adesea utilizată pentru prevenirea deteriorării acumulatorului sau degradării celulei. Protecţia constă din două faze. În prima, uzual un CI dedicat siguranţei este utilizat pentru protecţie primară pentru detectarea evenimentelor ce pot cauza condiţii nesigure şi duc la dezactivarea unei porţiuni din pachetul de acumulatori, pentru prevenirea deteriorării. În a doua fază, protecţia resetabilă previne încărcarea şi/ sau descărcarea în timpul condiţiilor de nesiguranţă şi oferă protecţie de backup în cazul unei defecţiuni pe circuitul de protecţie primar.
Pentru protecţia secundară nevolatilă, CI pentru managementul acumulatorilor sunt ideale, deoarece nu aduc costuri suplimentare soluţiei. De exemplu, circuitul de măsurare a încărcării Microchip PS501, monitorizează tensiuni pe celule individuale, tensiune de pachete, curent şi temperatură. Pinii GPIO (general-purpose input/output) pot fi configuraţi pentru funcţii de set şi reset în orice condiţii posibile. Această flexibilitate permite dispozitivului de măsurare a încărcării să monitorizeze cerinţele foarte complicate de siguranţă. Nivele suplimentare de protecţie, incluzând aici şi siguranţe fuzibile chimic, pot fi adăugate pentru dezactivarea permanentă a pachetului de acumulatori dacă apar alte nivele de defectare.
Securitate
Pentru prevenirea condiţiilor nesigure ce pot apare când sistemul operează cu acumulatori improprii, se pot utiliza sisteme simple mecanice, precum factori de formă unici sau conectori, şi identificatoare ce pot fi citite pe acumulator. Din păcate aceste metode de securitate sunt foarte uşor de păcălit.
Un nivel mai înalt de securitate poate fi obţinut prin utilizarea algoritmului criptografic pe 64 de biţi Microchip KEELOQ®. Stocat în hardware, atât în dispozitivul gazdă, cât şi în periferic, KEELOQ poate fi utilizat pentru autentificarea acumulatorului prin utilizarea unui număr serial unic nealterabil înmagazinat în memoria acumulatorului. Atunci când acumulatorul este conectat, sistemul (cu codul de producător şi un generator de numere aleatoare) solicită un număr serial şi trimite o cerere pe 32 biţi la care acumulatorul trebuie să răspundă pentru ca sistemul să-l autentifice.
Tehnologia KEELOQ este disponibilă pe produsele de gestionare a încărcării de la Microchip şi pe multe microcontrolere PIC®. Această metodă de securitate poate fi adăugată sistemului fără hardware suplimentar atunci când este utilizat dispozitivul de măsurare a încărcării de la Microchip în pachetul de baterii sau pe microcontrolere PIC dacă pachetul de baterii nu include măsurarea încărcării. Hardware-ul gazdă care suportă tehnologie KEELOQ include procesoare, dispozitive de măsurare a încărcării şi încărcătoare.
Rezumat
Cu scopul de a veni în sprijinul cerinţelor în creştere ale clienţilor în ceea ce priveşte flexibilitatea, durate de funcţionare mai mari, costuri mai mici şi securitate ridicată, proiectanţii trebuie să ia în considerare fiecare dintre cele 4 elemente de bază ale unui bun management al acumulatorilor: încărcarea, măsurarea încărcării, securitatea şi protecţia.
Pentru încărcare în afara pachetului de acumulatori, Microchip Technology oferă încărcătoare liniare pentru acumulatori cu litiu şi controlere pentru încărcare în mod de comutaţie cu algoritme de încărcare pentru acumulatori cu litiu, nichel şi cu acid.
Controlul încărcării în pachet poate fi implementat prin utilizarea unui CI de măsurare a încărcării, de asemenea de la Microchip, care include algoritme pentru măsurarea precisă a încărcării, controlul acesteia şi protecţie redundantă pentru acumulatorii pe bază de nichel sau litiu.
Cu o bună planificare, o proiectare corespunzătoare şi cu ajutorul ultimelor generaţii de CI specializate, managementul acumulatorilor poate constitui baza succesului produselor portabile.
de Douglas L. Chaffee,
Director of Engineering, Standard Microcontroller & Technology Division
Microchip Technology Inc.
www.microchip.com