Если вы связаны с производством какого-либо продукта, то вы наверняка знаете, что как бы хорош не был продукт, он все равно имеет свойство устаревать. Ну и дальше развитие событий может быть разным, от продолжения выпуска этого продукта в неизмененном виде, до полного прекращения его производства. В нашем случае было решено модернизировать изделие и начали мы с элемента питания.
В 2022-м году, на зло экоактивистам, еще не все перешли на питание своих изделий от аккумуляторов и тому есть разные причины, но конкретно нас интересовала стоимость и форм-фактор элемента питания.
Используемая до этого схема контроля заряда батарейки была сконструирована на уже устаревшей элементной базе и не давала практически никаких данных кроме как уровень напряжения. А хотелось, как всегда, знать больше.
После не долгих поисков была обнаружена интересная микросхема LTC3337. Это монитор состояния батареи со встроенным кулоновским счетчиком. В конечном счете значение из счетчика переводятся в мА*ч и у нас появляется довольно точное представление об остаточном заряде элемента питания.
На этом возможности данной микросхемы не заканчиваются. Как известно, емкость элементов питания зависит от многих факторов, одним из них является температура окружающей среды.
Только посмотрите как сильно зависит емкость батарейки от окружающей температуры.
Как видно из графика, знать текущую температуру, для определения остаточной емкости необходимо. И эти данные мы так-же можем получить. Микросхема LTC3337 измеряет температуру своей матрицы которая будет не сильно отличаться от температуры среды окружающей элемент питания.
Ну и конечно LTC3337 предоставляет данные об уровне напряжения на батарейке и ее сопротивлении.
Как видно схема включения до безобразия проста, но есть одно НО. Кулоновский счетчик нельзя сбросить программно да это, собственно, и не нужно, но есть ситуации в которых он обнулится:
Отсутствие питания на контакте AVcc(1.8-3.3V).
КЗ между +U и GND.
Чтобы предотвратить потерю данных из-за КЗ нужно просто контакт AVcc подключить к контакту BAT_IN но иметь в виду, что теперь кулоновский счетчик не будет учитывать потребление самой микросхемы.
Производитель микросхемы приводит таблицу, в которой по заданному значению выходного тока рекомендуется выбирать значение емкости Cout, в моем случае С1.
Как было видно из принципиальной схемы и из топологии ПП, я заложил один конденсатор и сделал это абсолютно не верно. Тут нам следовало обратиться к документации на такой "простой элемент" как конденсатор и там есть прекрасный график, на котором изображена зависимость емкости от приложенного напряжения.
Хватит тут одного конденсатора? Я думаю, что ответ вам известен (хорошая статья на эту тему).
Проверка
Ну что, плата готова, программа написана, пора проверить "умную" батарейку.
Нагрузим батарейку и посмотрим полученные данные из LTC3337.
На графике синим цветом изображено изменение значений кулоновского счетчика, а оранжевым уже переведенные значения в mA*h. Можно заметить, что со временем "ступеньки" становятся короче, это связано с увеличением нагрузки.
На данном графике изображены значения напряжений, замеряемые микросхемой на своем входе и выходе. Здесь изменение графика обусловлено тем, что в начале нагрузка от батарейки отключена, а в конце принимает значение 100 mA.
При температуре в помещении, равной примерно 24°C, микросхема показывала температуру кристалла равной 18.5°C без нагрузки.
Итог
Постарался описать все этапы разработки не сложного, но от этого не менее интересного изделия. Конечно, чтобы пустить данную батарейку в серию, необходимо провести еще довольно много испытаний и написать адекватный софт для управляющего устройства, но уже при первом приближении становятся видны преимущества современной электроники перед старой, как минимум для данной задачи.
Комментарии (21)
YouHim
18.01.2022 14:01Что-то не пойму. Микросхема одноразовая? Ставиться на каждую батарейку? Или стоит на входе устройства?
Ringenium Автор
18.01.2022 14:49Одноразовая
YouHim
18.01.2022 15:40+2А почему нельзя поставить счетчик в устройство? Ведь это удорожает батарейки...
Gordon01
18.01.2022 23:03Предполагаю, что замена батарейки пользователем не предполагается и она рассчитана на весь срок службы
Ringenium Автор
18.01.2022 23:14+2Прекрасный и логичный вопрос!
Действительно, можно оставить на батарейке всего два провода, а счетчик переставить на основную плату. Но в нашем случае, требуется знать информацию о конкретной батарейке(в ходе эксплуатации их могут снимать, они будут валяться на складе и в каком порядке их потом вновь установят не известно, я не уверен, что в том же в каком сняли) а как упоминается в статье, информация из счетчика будет утеряна при отключении питания(микросхема не имеет энергонезависимой памяти).
Вот именно по этому, счетчик установлен именно на батарейке и благодаря этому постоянно запитан.
ZlobniyShurik
18.01.2022 14:11+1Вопрос - а какой бонус в переносе схемы контроля степени заряда непосредственно в батарейку (если я правильно понял статью)?
На первый взгляд, это - наоборот, усложнение схемы в механическом смысле (если схема будет в батарейке, то придётся использовать многоштырьковый разъём для подключения).
marvin77
18.01.2022 16:51+2Доработаную батарейку можно дороже продать. И например в гарантиии прописать возможность использования только такой батарейки.
Ringenium Автор
18.01.2022 23:33Хехе, ну прям разоблачили)
А теперь серьезно. Данное оборудование используется во взрывоопасной зоне, для того, чтобы обслуживающий персонал имел возможность заменять элемент питания прямо на объекте, а не утаскивая все в безопасную зону, доработки не избежать.
В таком тонком ценообразовании я не силен, но есть ощущение, что сэкономленное время персонала, окупит стоимость батарейки, по крайней мере так кажется мне.
nixtonixto
19.01.2022 12:46Разве во взрывоопасной зоне не запрещены к применению конденсаторы ёмкостью больше 10 мкФ? Особенно керамические, с их ESR на уровне единиц миллиом.
Там, где важна ёмкость — используйте только танталки или электролиты. Керамика с R и V-диэлектриком сильно плывёт по напряжению.
marvin77
19.01.2022 19:31Хм. а какая разница для персонала менять просто батарейку или батарейку с добавленой платой?
как вариант обычную батарейку могут домой утащить.. :)
Ringenium Автор
18.01.2022 23:23Выше ответил про размещение схемы на батарейку.
Ну а конструктивное усложнение не критично, было два провода с разъемом на два контакта, а стал шлейф с разъемом на шесть, не вижу разницы не для монтажников не для пользователей.
Wladgaint
19.01.2022 11:36Скорее всего мой комментарий не относиться к специфическому случаю использования как у автора (газовое пром оборудование и т.д.), но сточки зрения обычного потребителя, если производитель предлагает батарею с контроллером за N руб, у меня появляется огромное желание вставить в девайс обычный источник за N/2 руб. Да потеря гарантии, да риски безопасности, но с другой стороны N/2 руб. Я хочу сказать, что усложнение батареи опасный путь и нужно 10 раз подумать прежде чем выбрать его.
nixtonixto
19.01.2022 12:51+1У этой батареи 2 провода I2C, без них устройство не включится. Таким образом разработчики не только вытянули информацию о состоянии батареи, но и подсадили пользователей на использование ТОЛЬКО фирменных батарей, и цена у них, скорее всего, N*3, учитывая сферу применения устройства… Скорее всего, это и было причиной такого размещения контроллера заряда, чтобы выставить в тендере цену ниже конкурентов и чуть ли не ниже себестоимости, но потом зарабатывать на расходниках.
fk0
19.01.2022 15:46+1Я не согласен с формулировкой, что мол ёмкость зависит от температуры. Обосную: предположим, батарею зарядили при температуре +40 град. C и разрядили при температуре -40 град. C. Она по-вашему мнению имеет меньшую ёмкость и, следовательно отдаст меньшую энергию.
Но налицо же нарушение закона сохранения энергии. В батарею закачали, условно, N джоулей, а получили M, где M < N. Куда делось остальное?
Если под ёмкостью понимать способность отдать энергию в полезную нагрузку, то вы безусловно правы, температурная зависимость есть. Но всё-же, где же разница?
Как я понимаю, разница теряется на высоком внутреннем сопротивлении замёрзшей батарей, которая и на морозе больше нагревается сама по себе, и попросту не отдаёт нужную силу тока (вместо этого напряжение падает до напряжения отсечки и эксперимент преждевременно прекращается). Но это же не значит, что в батарее стало меньше энергии? Или что уменьшилась ёмкость? Эту же энергию можно извлечь, но за существенно большее время и с существенно меньшими токами, чем при высокой температуре. Значит ёмкость батереи -- неизменна. Но другие изменившиеся характеристики, способность отдавать ток, что можно назвать внутренним сопротивлением, препятствуют быстрому получению энергии.
"Эквиэвалентная ёмкость", если можно так сказать, уменьшается (как способность выдать тот же ток в течении того же времени, с напряжением не ниже напряжения отсечки). Но не ёмкость как мера энергии хранимой в батарее -- это по-моему константа.
Gordon01
Счетчики делаете?))
Ringenium Автор
Чего только не делаем)
Gordon01
А как повышение внутреннего сопротивления отрабатывается?
В свое время тоже хотел в счетчики такую штуку поставить "для 100% надежности"
Ringenium Автор
Хороший вопрос!
Каюсь, сейчас никак не обрабатывается, просто выжал всю информацию из микросхемы, написания законченного софта уже следующий этап)