Medição precisa de nível de bateria através da medição do estado da carga

estado de carga

Os dispositivos eletrônicos portáteis contam com as baterias como sua única fonte de energia. Se você usa smartphones, rastreadores de atividades físicas (fitness trackers), câmeras portáteis para esportes de ação, dispositivos de navegação externa, câmeras ou transceptores de mão, todos experimentamos um aviso inesperado de bateria fraca. Na maioria dos casos, essa mensagem de aviso não passa de um inconveniente, mas para equipamentos de segurança e emergência, as consequências podem ser terríveis.

 

Como confiamos tanto nos eletrônicos funcionando com a energia vinda de bateria, é essencial que os dispositivos possam medir com precisão seus níveis de energia. Os primeiros equipamentos alimentados por bateria tentaram determinar o status da bateria por meio de uma combinação de tensão da célula e corrente de carga, mas não consideraram a condição de carga da bateria. Os recursos de proteção de circuito do dispositivo normalmente incluem uma função de corte por subtensão, que pode ser invocada muito cedo, resultando em um desligamento inesperado, tudo porque o estado da carga da bateria não foi determinado.

 

Este texto examina como você pode avaliar com precisão a condição de carga de uma bateria em seus projetos alimentados por bateria.

 

Medição de nível do estado de carga de uma bateria

 

A medição de nível para medir a tensão da bateria não é confiável devido às variáveis ​​introduzidas pelos materiais das células, sua química e temperatura ambiente. Além disso, a impedância da bateria muda com o estado da carga e com a idade da bateria, complicando ainda mais a precisão da medida. A química de cada tipo de bateria cria uma assinatura de descarga exclusiva, com algumas, mais do que outras, adequando-se a um estado de carga baseado em tensão. Algumas curvas de descarga de tensão e corrente de carga são incrivelmente rasas, tornando a medição de combustível de tensão capaz de indicar apenas 100% ou nada.

 

A medição da corrente de carga e descarga de uma bateria, denominada contagem de Coulomb, é outro método de estimativa do estado da carga da bateria. Juntamente com a contabilização da duração da bateria e as características de autodescarga, o método de contagem de Coulomb funciona bem.

 

A importância do estado da carga para a segurança e a experiência do consumidor

 

Com um público cada vez mais experiente em tecnologia, determinar e apresentar o estado da carga de uma bateria com alto grau de precisão é hoje um fator crítico de sucesso para qualquer dispositivo eletrônico de consumo portátil. A busca pela implementação de um método verdadeiramente preciso de prever o estado de carga de uma bateria levou muitos fabricantes a caracterizarem cada bateria com base em cenários específicos de aplicativos e casos de uso. Isso introduz um atraso no tempo de colocação no mercado e, se não for realizado internamente, exige a remessa para um fornecedor terceirizado. No entanto, algumas baterias, como o íon-lítio, estão sujeitas a uma regulamentação cada vez maior relacionada ao transporte. O regulamento inclui não apenas a natureza logística do manuseio das baterias, mas também a quantidade de carga que elas contêm quando enviadas.

 

Além da legislação que abrange o transporte de baterias, a manutenção de uma bateria relativamente volátil - com diversas baterias capazes de fornecer centenas de Amperes - dentro de parâmetros operacionais seguros durante o uso e o armazenamento rotineiros exige que outros eletrônicos de monitoramento sejam incorporados ao projeto. A ameaça representada pelos fornecedores de baterias de pós-venda que, para economizar custos, não prestam atenção à segurança da bateria, levou os fabricantes de dispositivos a adicionar técnicas de autenticação criptográfica às baterias e ao design dos produtos finais.

 

Desafios de medir o estado de carga

 

Como mencionado acima, a capacidade de medir o estado da carga de uma bateria com precisão e exibi-la no medidor de nível precisa levar em consideração não apenas o consumo de energia operacional, mas também o consumo durante a espera. A corrente quiescente consumida quando o dispositivo está guardada em um armário ou "na caixa" durante o transporte e também durante o armazenamento, precisa ser considerada. A medição de nível consome naturalmente a própria energia; portanto, isso precisa ser levado em consideração no cálculo de quanto de carga a bateria pode ser transportada e se há carga suficiente disponível para o consumidor operar o dispositivo depois de recebê-lo. Como consumidores, gostamos de usar as coisas assim que abrimos a caixa, em vez de precisar carregá-las antes de usá-las. Para manter uma indicação precisa do medidor de nível de bateria pronto para uso, é necessário que o circuito associado esteja sempre ligado. Desligar o medidor de nível de bateria até que o consumidor abra a caixa e ligue o produto significa que a indicação do estado da carga provavelmente será imprecisa. Observe que, para segurança durante o transporte e o armazenamento, é prudente manter os recursos de proteção da bateria (monitoramento de temperatura, corrente e tensão) ativados, caso temperaturas excessivas ou falha do componente causem uma condição de curto-circuito.

 

Uma solução precisa de medição de estado de carga

 

Um exemplo de IC que engloba funções de medidor de nível de bateria, proteção e autenticação em um único encapsulamento de CI de 3 mm x 3 mm é a série Maxim Integrated MAX1730x de baixa potência. Adequado para medir o estado de carga das baterias de íon-lítio ou polímero de lítio, o MAX17301 possui uma corrente quieta extremamente baixa, 24µA, quando os FETs de saída estão ativos, até 18µA durante a hibernação ativa. Ao desativar os FETs de carga, a corrente pode cair para 0,1 µA. O IC fornece uma ampla variedade de recursos de proteção de saúde e segurança da bateria, incluindo sobretensão (dependente da temperatura), corrente de sobrecarga, sub / superaquecimento da bateria, subtensão e sobrecorrente / curto-circuito. Outras características do MAX1730x incluem interfaces periféricas de 1-Wire e I2C para comunicação com o microcontrolador host, para que ele possa ler os registros de dados e controle do MAX1730x (Figura 1).

 

Figura 1: Diagrama de blocos funcionais do Maxim Integrated MAX1730x. (Fonte: Maxim Integrated)

 

O status de saúde da bateria e os seus requisitos de proteção são determinados pela tensão, corrente e temperatura da bateria. O estado da carga da bateria é calculado usando o algoritmo ModelGauge m5 da Maxim. Esse algoritmo combina a estabilidade a longo prazo da medição de tensão em circuito aberto da bateria com a linearidade e a precisão da contagem de Coulomb. O dado de entrada adicional para o algoritmo, referente a compensação de temperatura produz uma leitura precisa do estado da carga (Figura 2). O algoritmo calcula a tensão de circuito aberto da bateria, mesmo quando ela está fornecendo uma carga.

 

Figura 2: Cálculo do estado de carga corrigido pelo Maxim MAX1730x usando o algoritmo ModelGauge m5. (Fonte: Maxim Integrated)

 

O MAX1730x compensa o valor do medidor de nível de tensão de bateria com as características de envelhecimento da bateria e a taxa de descarga. Ele fornece uma leitura da porcentagem do estado da carga ou da miliampere-hora (mAh) em uma ampla gama de condições operacionais. O algoritmo também fornece o tempo até a carga completa e um recurso de previsão de idade, a fim de prever quando a bateria pode começar a perder capacidade devido à idade e ao uso. Uma função de registro de dados usa memória não volátil para gravar até 13 parâmetros durante a vida útil da bateria, incluindo o tempo desde a primeira inicialização. A Figura 3 ilustra a operação do algoritmo ModelGauge m5.

 

Figura 3: O fluxograma detalha a operação do algoritmo Maxim Integrated ModelGauge m5. (Fonte: Maxim Integrated)

Conclusão

 

Ser capaz de apresentar com precisão o estado da carga de uma bateria em um medidor de combustível sem a necessidade de caracterização demorada da bateria é vital para o sucesso de qualquer produto. O CI do medidor de nível de bateria baseado no algoritmo MAX1730x ModelGauge m5 da Maxim não só torna isso possível, como também economiza um espaço valioso na placa e lista de materiais (BOM) incorporando funções de proteção e autenticação.

 

Artigo escrito originalmente por Robert Huntley para Mouser Electronics: Accurate Fuel Gauging Through State-of-Charge Measurement. Traduzido por Equipe Embarcados.

 

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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