Как да подобрите индикатора за батерията във вашия портативен проект

Privacy, Security, Society - Computer Science for Business Leaders 2016 (Юли 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Тъй като времето за изпълнение на проекта е ограничено от капацитета на батерията, е от решаващо значение да има точен метод за измерване на оставащия капацитет на батерията, за да се избегне неочаквано спиране

ОТ САМАНТА ПОВЕЧЕ, Университет Санта Клара,
И МОМАМИД ИСМАЙЛ, старши член на Техническия състав, кандидатури
Максимум интегриран
www.maximintegrated.com
Обичам да взема моето куче, Мока ( Фиг.1 ), да ходя по пешеходци с мен през уикендите и често обича да тече пред мен и да направи някакво проучване. Винаги ме намира отново, но понякога дълго след като съм готов да напусна. Исках да намеря начин лесно да проследя местоположението й. Докато разглеждах уебсайта на Adafruit един ден, видях проекта им за GPS зареждане на кучета. Проектът използва платформата за микроконтролери на Adafruit, наречена "FLORA", и GPS модул за проследяване на местонахождението на кучето. Мислех, че това ще бъде чудесен начин за наблюдение на дейността на кучето ми по време на разходка. С моя колега Мохамед Исмаил започнах експеримент.

Фигура 1: Кучето на Саманта, Мока, готова за походи.

За оригиналния ни дизайн използвахме FLORA и GPS модула, заедно с ISM предавател (MAX1472), за да излъчва GPS координатите. Използвахме и четири FLORA RGB Smart NeoPixels, за да направим Mocha по-видима по време на нощните пешеходни преходи. Освен това използвахме NeoPixels, за да индикираме оставащото зареждане на батерията, за да можем да знаем кога да извадя каишката си, преди да се изключи системата. Използвахме зелено, за да представляваме такса от 50% или по-висока, жълта, за да представлява такса между 50% и 25%, а червеното да представлява такса от 25% или по-малко. Фигура 2 показва прототипа на системата ни за проследяване на кучета.

Фигура 2: Носене на система за следене на кучета.

Почти всичко в нашия оригинален проект работи перфектно - успяхме да получим GPS координати, да проблясваме различните цветове на NeoPixels и да излъчваме координати с нашия ISM предавател. Единствената част от нашия проект, който не работи, както се очакваше, беше нашият метод за мониторинг на състоянието на заряда на батерията (SOC). За да се оцени SOC, ние използвахме правилно приближение, базирано на измереното напрежение на батерията, докато проектът работи. Открихме, че NeoPixels не са червени за 25% от общото време на изпълнение, но вместо това те са само червени за 9% от общото време за изпълнение. Беше разочароващо, че не получихме точен SOC от сегашната система, затова решихме да направим някои изследвания в различни методи за определяне на батерията SOC, за да разберем кой метод е най-точен.

Разделител на напрежение спрямо показалец за гориво IC
Един много прост подход за определяне на зареждането на батерията е измерването на напрежението в батерията. На платформата Adafruit FLORA, делител на напрежението ( фигура 3 ) е свързан с вход ADC на бордовия микроконтролер. Това позволява на потребителите да направят четене на ADC и да изчислят напрежението на акумулаторите в своите терминали. Въз основа на характеристиките на батерията и изключващото напрежение на системата, напрежението на терминала се използва за оценка на оставащото зареждане на батерията.

Фигура 3: Разделител на напрежението, използван за определяне на заряда на акумулатора FLORA.

Един основен недостатък на този метод за изчисляване на SOC е, че той често води до непоследователни показания. Текущото напрежение на батерията зависи от SOC, но също така зависи от тока на натоварване, температурата и възрастта. Всички варианти на тези три параметъра могат да доведат до неточни резултати. Ако течният ток се промени или температурата на акумулатора се отклони, изчисляването на батерията SOC на базата на обикновен делител на резистора губи своята точност. Нашият оригинален дизайн имаше постоянно пулсиращо натоварване и беше предназначен за открито, което направи много заблуждаващ индикатор за живота на батерията.

Една алтернатива на метода на делителя на напрежение е да се използва IC габарит. Методите за измерване на горивото са много сложни и следователно по-скъпи; обаче точността, която обещават, ги прави доста привлекателни. Общото съпротивление на разделителя на резистора на FLORA е 160 kΩ, което означава, че той консумира ~ 23 μA, когато е свързан към батерия Li +. Бяхме колебливи да сменим резисторните разделители с нещо, което консумира повече мощност, но Максим предлага IC габарит IC, който твърди, че използва само 7 μA от тока! MAX17055 използва алгоритъма на Максим за измерване на горивото, наречен ModelGauge m5, който комбинира двата най-често срещани метода за измерване на горивото - измерване на броя на кулоните и измерване на напрежението на отворен кръг - за докладване на SOC на батерия с 1% грешка. Друга новаторска характеристика на технологията ModelGauge m5 е, че тя включва функция EZ config, която премахва необходимостта от характеризиране на батерията. Това ви позволява лесно да интегрирате чипа в дизайна си без сложната задача за характеризиране на батерията, която изискват повечето интегрални схеми за гориво.

Фигура 4: IC MAX17055 на Максим горивомер IC използва технология ModelGauge m5 за определяне на зареждането на батерията.

Сравнителни тестове
За да сравним оригиналния делител на напрежението на FLORA с IC на максимум на горивото, направихме серия от тестове. След като взехме измерванията на резисторния делител, сменихме компонентите с MAX17055. Използвахме една батерия от 150 mAh за всички тестове, за да поддържаме резултатите от всеки тест последователни. Първо, извършихме базов тест, като извадихме батерията с постоянно натоварване, като наблюдавахме както резултатите от разделителя на напрежението, така и манометъра на горивото. След това използвахме по-реалистично, пулсиращо натоварване, за да освободим батерията и наблюдавахме точността на делителя на напрежението и манометъра на горивото.

Изходно изпитване, използващо резисторен делител
Изходът от делителя на напрежението на FLORA просто ви помага да определите напрежението на батерията на терминала; следователно, трябва да се направят някои изчисления, за да се преведе отчитането на напрежението до процентно зареждане, което е лесно разбираемо. Първо, използвахме постоянно натоварване от 125 mA, за да освободим напълно батерията. Напрежението на акумулатора се отчиташе в постоянни интервали от време. Фигура 5 показва средното напрежение на клетката от пет цикъла на разреждане, тъй като батерията се изхвърля напълно. След това се използват два различни метода за определяне на SOC на акумулатора по време на разреждането му от изхода на делителя на напрежението.

Фигура 5: Средно напрежение на акумулаторната батерия с течение на времето, тъй като тя се разтоварва с постоянно токово натоварване.

Първият метод беше да се съпостави напрежението на батерията с известно процентно оставащо зареждане. Батерията от 150 mAh, която се използва за тестване, може да бъде заредена до максимум 4, 2 V, така че това напрежение е свързано със 100% зареждане. Минималното разредено напрежение на акумулатора е 3, 0 V, така че това напрежение е свързано с 0% заредено. От тези две оценки може да се използва линейно уравнение за преобразуване на напрежението на акумулаторната клетка, съобщено от делителя на напрежението на FLORA, до приблизително процентно оставащо заряд. Наричахме това свой "линеен" метод на сближаване. Въпреки че е лесно да се формира връзка между напрежението на акумулаторната клетка и SOC, то не е много точна, тъй като, както се вижда на фигура 5, напрежението на клетката на акумулатора не намалява линейно по време на разреждането.

Следващият метод се основава на заряда, изразходван чрез измерване на времето за разреждане на батерията. С постоянен ток на натоварване, пропътуваното време е пропорционално на количеството консумирана такса (кулон / секунда * секунда = куломби); следователно, SOC (coulombs). В този случай 100% зареждане е свързано с началното време на теста, когато товарът е поставен за първи път върху батерията. Нулевото зареждане е свързано с времето, когато устройството се изключи. За да се създаде точен модел, използващ този метод, ние открихме средно по пет изпитания за разреждане. Оттам създадохме тренд линия за четвърта поредна линия за средния SOC. По-висок порядък полином ще стане непрактично да се изчисли за всяка проба напрежение на батерията. Уравнението на тази трендова линия беше използвано за корелация на напрежението на батерията към SOC. Плътната линия на фигура 6 показва средната крива на SOC, докато пунктираната линия представлява трендлинията. Ние наричаме това свой "полиномен" метод за приближение, а уравнението за трендлинията е показано на фиг .

Фигура 6: полином от четвърти ред, който може да се използва за приближаване на напрежението на батерията до процента оставащ заряд.

Тест за изходното състояние, използвайки MAX17055
Накрая сравняваме тези две приближения с мощността на максимум IC, MAX17055. MAX17055 извежда много резултати, включително напрежение на клетката, ток на натоварване, възраст и температура. Той също така използва алгоритъма ModelGauge m5 за приближаване на SOC на батерията. Резултатът от изхвърлянето на акумулатора с постоянно натоварване доведе до линейно понижаване на SOC във времето, което е резултатът, който се надявахме да видим. Можете да видите показанията от индикатора за гориво IC чрез лилавата графика на фигура 7, заедно с линейните и полиномичните приближения, описани по-горе.

Фигура 7: Зареждане на акумулаторна батерия, когато е разрешено с постоянен ток на базата на линейния модел от делителя на напрежението, полиномния модел от делителя на напрежението и SOC от манометъра на горивото.

При разглеждането на резултатите от фигура 7 е очевидно, че всяко от приближенията приема, че батерията е 50% пълна и 25% пълна в различно време. Фигура 8 показва цветовете на NeoPixels, тъй като батерията е изтощена. Графичната лента отдясно сравнява процента на времето за изпълнение за всеки от моделите, които използвахме в сравнение с желания резултат, който очаквахме да видим. Графичната лента на линейния модел показва, че NeoPixels остават зелени, което показва> 50% зареждане, когато батерията е почти с 25% зареждане!

Фигура 9: Зареждане на акумулаторна батерия, когато е разредено с постоянен ток на базата на линейния модел от делителя на напрежението, полиномния модел от делителя на напрежението и SOC от манометъра.