Управление зарядкой батареи: специализированные ИС или микроконтроллеры?


PDF версия

В статье, представляющей собой перевод [1], рассматриваются различные случаи применения специализированных микросхем и микроконтроллеров для управления зарядкой батарей в зависимости от требований конкретного приложения.

Перед разработчиками контрол­ле­ров по управлению зарядом ба­тарей стоит выбор: либо воспользоваться соответствующими спе­циа­ли­зи­рованными микросхемами, которые производят многие вендоры, либо задействовать программируемый микроконтроллер (МК).

Требования к зарядке

Среди различных типов батарей наибольшей популярностью пользуются литиевые. Литиево-ионные, литиево-полимерные, литиево-железофосфатные и другие батареи с элементами этого типа характеризуются большей плотностью энергии на единицу объема и веса, чем любые другие серийно выпускаемые перезаряжаемые элементы. Эти достоинства обеспечивают широкое применение литиевых батарей в переносных источниках питания, в т.ч. в электромобилях; мобильных вычислительных устройствах, например, в смартфонах, КПК, планшетах и ноутбуках; в автоматизированной военной технике и медицинских приборах. Никелевые батареи все еще используются, но они быстро заменяются батареями литиевого типа.
При зарядке литиевых батарей требуется, чтобы зарядное устройство управляло и зарядным током, и напряжением батареи. Поначалу заряд поступает в элементы в режиме постоянного тока (constant-current, CC), пока напряжение батареи не достигнет уровня напряжения холостого хода. Выходное напряжение зарядного устройства остается на этом уровне в режиме постоянного напряжения (constant voltage, CV), пока зарядный ток не уменьшится до определенного малого значения. Как только ток становится малым, зарядное устройство выключается (см. рис. 1). В отличие от элементов никелевого или свинцового типа, литиевые элементы, как правило, не подзаряжаются малым током после окончания зарядки, т.к. они могут повредиться.

 

Рис. 1. Как только напряжение батареи достигает уровня напряжения поддерживающего заряда, выходное напряжение зарядного устройства остается на этом уровне в режиме постоянного напряжения, пока зарядный ток не понизится до определенного малого значения. Как только это происходит, зарядное устройство выключается

Точную оценку времени заряда литиевой батареи можно получить с помощью стандартного алгоритма CC/CV, разделив емкость батареи в ампер-часах на зарядный ток в амперах в режиме CC и умножив полученное число на повышающий коэффициент 1,3. При правильном проектировании и настройке алгоритма CC/CV расчет получается более точным, чем предложенный, но и такой оценки поначалу вполне хватает.
Минимальное требование к зарядному устройству для литиевых батарей состоит в том, чтобы оно управляло не только током в батарее, но и напряжением на ее выводах. В целях безопасности большинство зарядных устройств для элементов литиевого типа прекращает подачу заряда, если температура батареи становится слишком высокой или низкой. Во многих случаях устройство понижает зарядный ток, если у батареи слишком низкое напряжение, не позволяющее безопасно выйти из состояния чрезмерной разрядки.
NSMP — стандартное условное обозначение конфигурации элементов в батареях литиевого типа, где N — число последовательно, а M — параллельно соединенных элементов. При проектировании зарядного устройства следует помнить о том, что первое число определяет напряжение батареи, а второе — ее емкость, которая позволяет рассчитать время зарядки при определенном зарядном токе.
Необходимость повышения эффективности преобразования зарядного устройства станет основным критерием при выборе типа первичного преобразователя, как только вступят в силу новые правила, принятые в разных странах регулирующими органами.

Специализированные ИС для управления зарядкой

Все специализированные ИС для управления зарядкой элементов преобразуют входное постоянное напряжение, подаваемое, как правило, с источника питания AC/DC, в ток и напряжение, необходимые для зарядки батарей. Большинство специализированных микросхем для зарядки литиевых батарей поддерживает уже упомянутые требования: обеспечение режимов управления CC и CV, прекращение подачи заряда при определенных значениях температуры батареи и понижение зарядного тока в условиях глубокой разрядки батареи. В качестве примеров таких ИС можно привести широкую номенклатуру устройств от компании Texas Instruments, предлагающей около 160 таких компонентов; Linear Technology (60 компонентов); Maxim (70 устройств) и Intersil (50 компонентов). Среди других компаний, чей ассортимент подобной продукции несколько меньше, — Fairchild, Analog Devices, Freescale, Micrel, On Semiconductor и Torex Semiconductor.
При выборе специализированной ИС для управления зарядом поначалу следует определить тип батареи; количество последовательно соединенных элементов, или максимальное напряжение батареи; величину зарядного тока и необходимость отключения подачи заряда при высоких/низких температурах батареи. Следует также установить наличие USB-интерфейса у источника питания, а также максимальное и минимальное входное постоянное напряжение. Большинство поставщиков ИС предлагает разработчикам средства параметрического выбора на веб-сайтах, что, безусловно, упрощает проектирование.
Почти все специализированные ИС управления зарядом оснащены понижающими преобразователями, входные напряжение которых выше максимального напряжения батарей. Некоторые ИС поддерживают повышающе-понижающие преобразования. При выборе микросхемы обязательно следует учесть разницу между минимальным входным и максимальным напряжением батареи.
К двум широко распространенным типам специализированных ИС по управлению зарядом относятся линейные и импульсные преобразователи. Зарядный ток линейного преобразователя, как правило, составляет менее 1 А. Это устройство работает, только если его входное и выходное напряжения примерно равны. В противном случае потери мощности в таком преобразователе становятся неконтролируемыми, что недопустимо в случае отсутствия теплоотводов, вентиляторов и других подобных устройств. Как бы то ни было, линейные преобразователи стоят недорого, компактны и легко проектируются (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Относительно недорогие линейные преобразователи компактны и легко проектируются

Импульсные преобразователи сложнее проектировать, но они поддерживают почти неограниченный диапазон входных и выходных напряжений и зарядных токов. Современные импульсные преобразователи функционируют на такой высокой частоте переключения, что внешние дроссели и керамические конденсаторы имеют небольшие размеры, благодаря чему схема упрощается. Для большей эффективности преобразования можно использовать импульсный преобразователь вместо линейного (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Импульсные преобразователи упрощают схемное решение

 

Применение микроконтроллеров

Возникает закономерный вопрос о том, почему бы не применять во всех без исключения случаях специализированные ИС заряда батарей, вместо того чтобы заниматься дорогостоящим проектированием встроенного ПО и схемным решением при использовании микроконтроллера? Многие МК оснащены АЦП, схемами формирования сигнала и ШИМ-управления, необходимыми для реализации устройств управления зарядом батареи. К числу таких компонентов относятся PSoC (программируемые СнК) от Cypress, семейство МК MSP430 от TI, процессоры PIC компании Microchip, процессоры AVR от Atmel и др.
Контроллер по управлению зарядом батареи можно создать на основе недорогого МК с относительно малым потреблением, т.к. процесс управления зарядом, в отличие от управления источником питания, сравнительно медленный из-за электрохимической природы батареи. При ее зарядке не происходят какие-либо нештатные процессы длительностью менее нескольких сотен миллисекунд, исключая только программное аварийное отключение зарядки в экстренных случаях. При этом реализация управления зарядом литиевых батареей в режимах CC и CV осуществляется с помощью нескольких сотен строк на языке С.
В качестве аппаратной поддержки требуются лишь токоизмерительный усилитель и усилитель для измерения напряжения, АЦП, ШИМ-выход и несколько стандартных портов ввода-вывода; эти компоненты встроены в большинство современных микроконтроллеров. Кроме того, МК также оснащены интерфейсами I2C или SMbus на тот случай, если в схеме понадобится датчик заряда батареи.
Поставщики публикуют подробные указания по применению контроллеров зарядки батарей. Некоторые из них даже предлагают демонстрационные системы, которые облегчают проектирование схем и встраиваемого ПО. В большинстве случаев разработка и производство микроконтроллерных решений обходятся дороже, чем решений на основе специализированных контроллеров.

Одноэлементные батареи

Для зарядки одноэлементной батареи не требуется сложной схемы управления. Разработчику предлагается на выбор большое количество специализированных микросхем с током зарядки 3 А, внутренними МОП-ключами и лишь несколькими внешними компонентами. Как правило, батареи заряжаются от 5 В DC при максимальном токе 500 мА через USB-интерфейс. Зарядка одноэлементных батарей почти всегда осуществляется при таких условиях с помощью специализированного линейного или импульсного контроллера.
Алгоритмы зарядки не требуют связи между одноэлементными батареями и зарядным устройством, поэтому разработчики, как правило, используют в этих случаях специализированные ИС управления. Примерами таких приложений являются зарядные устройства для мобильных телефонов, электробритв и док-станции для смартфонов и планшетов. Рабочее напряжение этих портативных устройств достаточно низкое и составляет около 3 В. Многие из этих зарядных устройств заряжаются через USB-интерфейс.
Некоторые многосекционные зарядные устройства, используемые в медицинских и военных приборах, обеспечивают постоянную зарядку нескольких батарей в центральном узле. Многие микроконтроллеры могут управлять более чем одной секцией зарядного устройства за счет достаточно медленной скорости электрохимической реакции. Способность МК управлять несколькими секциями может обеспечить выигрыш в производственных затратах, но в этом случае усложняется не только ПО, но и разработка и тестирование зарядного устройства. Такие поставщики как компания Micro Power предлагают четырехсекционные зарядные устройства, управление которыми обеспечивают микроконтроллеры серии PSoC.

Батареи с несколькими элементами

Если портативное устройство требует больше энергии, чем может предоставить одноэлементный литиевый аккумулятор, применяются батареи с бóльшим количеством элементов (2–4). Зарядка таких батарей представляет собой более сложную задачу в силу необходимости выровнять напряжение между элементами и обеспечить настройку алгоритма CC/CV. Батареи с бóльшим количеством элементов необходимо заряжать так, чтобы максимальное напряжение элемента — не напряжение батареи! — было меньше определенной величины напряжения холостого хода. Если зарядное устройство продолжает питать батарею при высоком напряжении одного или нескольких элементов, они могут выйти из строя или разрушиться.
Батареи можно проектировать с внутренними цепями выравнивания напряжения между секциями, ограничивая ток или обеспечивая его дополнительное поступление в определенные элементы. В тех случаях, когда с этой целью используется зарядное устройство, оно должно сообщаться с системой управления батареей. Специализированные ИС заряда батарей, как правило, не поддерживают такое интерактивное управление и потому в этих решениях используется микроконтроллер.
Для оптимизации времени зарядки ее алгоритм регулируется с учетом температуры батареи, внутреннего напряжения и других параметров, информацией о которых располагает только система управления батареей. Например, для оптимизации времени зарядки зарядное устройство должно оставаться в режиме СС как можно более продолжительное время. Однако путь зарядного тока в некоторых случаях проходит через диод, предохраняющий от неправильной полярности подключения, не позволяющий зарядному устройству измерить действительное напряжение блока элементов. Система управления батареей может измерять это напряжение и сообщать результаты зарядному устройству, которое, в свою очередь, использует более точное значение напряжения в алгоритме перехода из режима CC в CV и удерживает батарею в режиме СС более длительное время. Такой метод существенно уменьшает время зарядки.
Зарядное устройство для более сложных батарей оснащается дисплеем состояния, например, светодиодным шкальным индикатором или ЖК-дисплеем. Для реализации такой функции требуется микроконтроллер, поскольку специализированные ИС поддерживают лишь самые простые дисплеи.
В высококачественных зарядных устройствах для сложных батарей, используемых в военной и медицинской технике, микроконтроллеры применяются для хранения и передачи информации о состоянии элементов в ПК через USB-интерфейс. Эта информация используется для профилактического обслуживания и анализа состояния аккумуляторов.

Высоковольтные батареи

Для смягчения требований к величине тока отдельного элемента разработчики резервных источников энергии для крупных систем и других высоковольтных приложений создают батареи с большим количеством последовательно распложенных элементов. Аккумуляторные модули электромобилей также поддерживают рекуперативные тормозные системы, активное охлаждение и нагревание, а также другие усовершенствованные системы управления батареями. Такие высоковольтные батареи из большого числа элементов требуют сложных самобалансирующихся схем и алгоритмов, а также полной интеграции зарядных устройств в цепи управления батареями. Для осуществления интеграции, как правило, необходимо компьютерное управление, т.к. специализированные контроллеры не отличаются высокой гибкостью.
В силу сложности системы управления батареями с большим количеством элементов и их зарядкой требуется, чтобы они постоянно получала и сохраняла данные о состоянии батарей. Распределение запасенной энергии между электромобилями и системами резервного электропитания домохозяйств и предприятий, вероятно, станет востребованным методом управления пиковыми нагрузками интеллектуальных энергосетей, когда они станут крупномасштабными. При этом зарядные системы будут синхронизироваться с инверторами сетей, чтобы батареи не только поставляли, но и потребляли энергию. Этим интегрируемым системам понадобится устойчивая связь через зарядные модули с цепями управления батареями, чтобы в интеллектуальную сеть поступала информация о статусе заряда батарей и их параметрах. Все эти эволюционные изменения превратят зарядные устройства из простых преобразователей напряжения, управляемых током, в подсистемы сложной компьютеризированной сети, регулирующей потребление энергии.

Выводы

Таким образом, можно сделать следующие выводы. В случае с одноэлементной батареей литиевого типа с зарядным током менее 500 мА или при необходимости обеспечить зарядку через USB-интерфейс рекомендуется применять специализированный линейный или импульсный контроллер с минимальным числом функций, например, серии bq24100 компании TI. Если количество элементов односекционной батареи литиевого типа достигает трех, а зарядный ток менее 3 А, рекомендуется использовать специализированный импульсный контроллер, например, bq24105 или bq24170 компании TI. Однако если приложение требует обеспечить связь между зарядным устройством и батареей, пользовательский интерфейс с расширенными возможностями или сообщение с главным компьютером, следует применить микроконтроллер. В случае с многосекционной литиевой батареей, количество элементов которой не превышает трех, а ее зарядный ток менее 3 А, необходимо найти компромисс между стоимостью импульсного контроллера заряда и микроконтроллера, управляющего более чем одной секцией.
Для батарей с зарядным током более 3 А или тех из них, которые содержат более трех элементов, почти всегда требуется импульсный преобразователь с микроконтроллером, обеспечивающим связь между зарядным устройством и системой управления батареей, для поддержания безопасности и оптимального времени заряда. Приложения, в которых необходимо обеспечить хранение и запись данных о состоянии батареи с произвольным количеством элементов и связь, должны использовать микроконтроллер, возможно, встроенный в зарядное устройство.

Литература
1. David Gunderson. Battery-Charge Control: Dedicated ICs or Microcontrollers?//www.edn.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *