Optimális akkumulátoros működtetés innovatív teljesítményeszközökkel

A hordozható elektronikai eszközök sikerének egyik fő mozgatórugója a hordozható telefonoktól az elektromos szerszámokig az elektromos hálózaton kívüli működtetés képessége. A manapság széles körben használt technológiák jelentősen megnövelték az akkumulátorok energiasűrűségét, és ezzel lehetővé tették az ilyen típusú termékek használatát, aminek köszönhetően a régebbi kémiai megoldásoknál sokkal nagyobb gondosságot igényel a töltések közötti idő és a termék teljes élettartamának maximalizálása. Nem elég egyszerűen csatlakoztatni a tápegységet a csatlakozókhoz, és eltávolítani azt, amint a belső feszültség elérte a megfelelő szintet.

Az akkumulátortechnológia kihívásai

A lítium-ion akkumulátorok különösen érzékenyek az olyan körülményekre, mint a túltöltés. Ez nemcsak a cellákat károsítja, hanem veszélyes is lehet. A túltöltés megnöveli a cellákon belüli nyomást, és hőkiáramláshoz vezethet, ami az akkumulátor kigyulladását okozhatja. Ennek eredményeképpen a túltöltés elleni védelem minden szabványos töltésvezérlőbe be van építve.
A magas élettartam és a maximális töltöttség fenntartása a folyamat nagyfokú ellenőrzését igényli az elejétől a végéig. A Maxim Integrated által tervezett MAX77960B és MAX77961B egyaránt példa arra, hogyan lehet ezt megvalósítani hordozható rendszerek esetében. Egy ilyen eszköz három egymást követő fázisban tölti az akkumulátort: előtöltés; állandó áram és állandó feszültség. Az előtöltési állapot arra szolgál, hogy az akkumulátort a teljes töltéshez megfelelő állapotba hozza, ami fontos a károsodás elkerülése érdekében, ha a cellák szinte teljesen lemerültek. A folyamat során először kis áramot kell szolgáltatni. A töltő méréseket és egy biztonsági időzítőt is használ annak ellenőrzésére, hogy ez a fázis sikeresen befejeződik-e, és ha nem, hibát jelez a gazdamikro­kontrollernek.

1. ábra MAX77960B és MAX77961B Evaluation Kit

A másik két mód kompromisszumot jelent. Az állandó áramú töltés a leggyorsabb módszer, de az akkumulátor károsodását kockáztatja, mivel nagyobb áramerősséggel jár, ami túlmelegedést okozhat. Ezért az akkumulátor-töltésvezérlők hőmérséklet-érzékelő bemeneteket tartalmaznak, hogy korlátozzák a teljesítményt, ha a hő túlságosan megemelkedik. Általában, amikor az akkumulátor közeledik a teljes töltöttséghez, a töltésvezérlő átvált az állandó feszültségű üzemmódra. Ezzel elkerülhető a túlmelegedés, és javul az élettartam, bár a töltési folyamat jelentősen lelassul.
A töltés jobb ellenőrzése más előnyökkel is jár. Lehetővé teszi a teljes rendszer méretének és súlyának optimalizálását, nemcsak az akkumulátor, hanem az áramellátó áramkörök tekintetében is. Egyes töltésvezérlők nagymértékben integráltak. Az NXP Semiconductors MC34674 típusú integrált áramköre például egy teljesen integrált töltő egycellás lítium-ion és lítium-polimer akkumulátorokhoz, amelyet utazási alkalmazásokhoz optimalizáltak, és amely csak egy külső LED-et igényel a töltési állapot jelzésére, valamint két leválasztó kondenzátort és egy termisztor-áramkört az akkumulátor hőmérsékletének érzékelésére szolgáló csatlakozóval.

Töltők és feszültségátalakítás az energiaellátáshoz

Ugyanez a magas integrációs igény igaz kevés passzív alkatrész felhasználásával a DC/DC átalakítókra is, amelyeket a teljesítmény kondicionálására és a rendszer különböző eszközeihez való továbbítására használnak, amelyeknek speciális feszültség- és áramigényeik lehetnek. Az a nagyszámú tápsín, amelyre még a viszonylag kis méretű kézi eszközökben is szükség lehet – a digitális System-on-a-Chip (SoC) 1 V-tól az analóg I/O 12 V-ig vagy még magasabb értékig – a kompakt megvalósításokat teszi szükségessé.
Kevesebb külső passzív alkatrész alkalmazásával és az átalakítási veszteségek csökkentésével a töltő és szabályozó áramkörök kisebbek lehetnek, és a teljesítménytranzisztorokon lévő terjedelmes hűtőbordák nélkül működhetnek, ami kis méretű és hatékony rendszertervezéseket tesz lehetővé. A MAX77960B és MAX77961B többek között azáltal segít a sűrűség javításában, hogy buck átalakítóként és töltőként is működik: mindaddig táplálja a hordozható rendszert, amíg az akkumulátor által szolgáltatott feszültség magasabb, mint a kívánt kimeneti feszültség.
Akár újratölthető, akár nem újratölthető kémiai alapokon nyugszik, az akkumulátorból származó feszültség csökken, ahogy a cellák kisülnek. Ha ez a feszültség az átalakító működési tartománya alá esik, akkor az akkumulátorban megmaradt töltés kihasználatlanul marad, ami a vártnál rövidebb akkumulátor-üzemidőt eredményez. A DC/DC konverzió használata, amely mind a buck, mind a boost üzemmódot alkalmazza, lehetővé teszi a legnagyobb töltés kinyerését.

2. ábra A kisütési áram jellemzői – A grafikon a kimeneti feszültséget mutatja
az akkumulátor kisütése közbeni idő függvényében
(Forrás: https://www.farnell.com/datasheets/2305652.pdf)

Az alacsony energiaigényű kikapcsolási módok támogatása létfontosságú az olyan tárgyak internetét (IoT) használó alkalmazásokban, mint például a környezeti érzékelők és az egészség, illetve a jólét megfigyelésére kifejlesztett viselhető eszközök. Ezek az eszközök hosszú ideig alszanak, és a másodperc töredékére ébrednek fel, mielőtt ismét alvó üzemmódba lépnének. Az ilyen alacsony működési ciklusok mellett létfontosságú az alacsony nyugalmi áram az egész rendszerben, beleértve az energiagazdálkodási áramköröket is. A Maxim által kifejlesztett MAX710ESE+ buck-boost átalakító például lehetővé teszi, hogy az ilyen alvó üzemmódok során csak a lineáris szabályozó alrendszert használja, hogy korlátozza az áramfelvételt és elkerülje az akkumulátor lemerülését a hosszú inaktív időszakok alatt.

Akkumulátorfelügyelet és -kezelés

Számos alkalmazásban ugyanolyan fontos tudni, hogy mennyi töltés van még hátra, mint hogy az akkucsomag egyes celláinak áramáramlását lehet-e szabályozni. Az autóipari rendszerek esetében e két elem kombinációja döntő fontosságú lehet, mivel a járművezetők nem akarnak messze kerülni a töltőponttól, sem amiatt, hogy a becslés téves, sem ha a rossz egyensúly miatt nem elegendő feszültséget szolgáltatnak, mivel több cella túlságosan lemerült. A pontos töltésbecslés minden rendszerben segít optimalizálni a töltési időt és a kapacitásgazdálkodást. Egyes rendszerek már felhasználják ezeket a méréseket a töltés lassítására és az akkumulátor élettartamának javítására – a töltés és a várható használat összehasonlításával. Sok esetben előfordulnak olyan dedikált termékek, amelyek az akkumulátorok kezelését és felügyeletét végzik.

3. ábra ISL94202/ISL94203 Evaluation Kit

4. ábra TLE9012AQU Evaluation Board

A Renesas ISL94202 típusú áramköre legfeljebb nyolc cellát tartalmazó akkumulátorokhoz készült, és önálló csomagvezérlést biztosít, felügyeleti mikrokontroller nélkül. Az eszköz automatikusan kezeli a cellák kiegyensúlyozását az akkucsomagon belül, és számos védelmi funkcióval rendelkezik a túláram és egyéb problémák kialakulásának megelőzésére. Egy másik példa az Infineon Technologies TLE9012AQU, amely négy fő funkciót lát el: cellafeszültség-mérés, hőmérsékletmérés, cellakiegyenlítés, és izolált kommunikáció biztosítása egy központi akkumulátorvezérlővel. A funkciók e kombinációja teszi az eszközt rendkívül alkalmassá nagyobb kommunikációs és autóipari rendszerekhez, ahol több akkumulátorcsomagot kell párhuzamosan használni. A cellák állapotának pontos mérése érdekében minden egyes cellát egy 16 bites felbontású A/D átalakító felügyel.
A mai járműtervek több különböző akkumulátor-alrendszert is tartalmazhatnak a jármű különböző részeinek táplálására, a hajtáslánctól az infotainmentig. Sok csapat tervezi most azt, hogy a kiegészítő áramkörök ellátására használt kisfeszültségű akkumulátort kiiktatja, és a magasabb feszültségű hajtáslánc-akkumulátort használja az utastérben lévő berendezések ellátására is. Ehhez nemcsak a nagyobb teljesítményleépítésre optimalizált DC/DC átalakítókra van szükség, hanem olyan akkumulátorkezelő rendszerekre is, amelyek képesek kezelni az összetett teljesítménytopológiát. Az NXP akkumulátorkezelő és -támogató IC-k, például az MC33771C, széles körű követelmények kezelésére szolgálnak. Az eszközök támogatják az elszigetelt daisy chain kommunikációt az információk központi mikrokontrollerhez történő továbbításához, és képesek a különböző csomagok között szinkronizált árammérésre.
A skála másik végén, a tárgyak internetéhez (IoT) kapcsolódó egyre növekvő számú érzékelők támogatása érdekében az energiagyűjtés (energy harvesting) fontos módszerré válik a hordozható és akkumulátorral működő eszközök energiaellátásának megvalósítására. Az energiagyűjtés lehetővé teszi, hogy a biztonsági érzékelők és más alacsony energiaigényű eszközök évekig működjenek anélkül, hogy az akkumulátort ki kellene cserélni vagy az eszközt a hálózati áramellátáshoz kellene csatlakoztatni. Gyakori konfiguráció, hogy egy egyszer használatos akkumulátort, például egy lítium-érmecellát kombinálnak egy újratölthető eszközzel, vagy akár egy szuperkondenzátorral, illetve akár egy kis Li-ion akkumulátorral. Az energiagyűjtési technológiák nem a legkényelmesebb formában biztosítják a töltést, és gyakran a források nagy impedanciával működnek. Gondos áramköri tervezésre van tehát szükség a veszteségek minimalizálása érdekében. A Maxim MAX20361 olyan integrált megoldást kínál a tervezőknek, amely képes a napelemek energiájának begyűjtésére és a hasznos töltés továbbítására a következő áramkörökhöz. Az integrált boost átalakító akár 225 mV bemeneti feszültségről is képes elindulni.

Összegezve

Az akkumulátormenedzsment ma már fontos kérdéssé vált a rendszerek széles skáláján. A Li-ion és a hasonló vegyületek összetettsége megnehezíti az energiaellátó és -fogyasztó áramkörök tervezését. A nagy félvezetőgyártók által kínált magas integráltságú, speciális eszközök elérhetősége azonban a lehető legegyszerűbbé teszi az akkumulátorok rendszerekbe való integrálását. Az olyan forgalmazóknál, mint a Farnell, tapasztalt mérnökök által nyújtott tervezési támogatás biztosítja, hogy a különböző csapatok a legjobb tanácsokat kapják arra vonatkozóan, hogy az egyes alkalmazásokhoz milyen eszközöket használjanak.

Szerző: Cliff Ortmeyer – a Farnell műszaki marketing globális vezetője

Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hu.farnell.com
www.element14.com