Negli ultimi anni, i prodotti consumer, come aspirapolvere, utensili elettrici (come trapani, seghe e avvitatori) e attrezzi da giardino (come tagliaerba, tagliasiepi e trattorini da giardino) sono passati dall'alimentazione con filo elettrico da presa a muro alla modalità senza fili e funzionano ora con pacchi batterie ricaricabili. Addirittura prodotti come le biciclette, che in precedenza non erano dotate di alimentazione elettrica, stanno diventando biciclette elettriche e scooter elettrici alimentati a batteria.
Questi pacchi batterie, normalmente costituiti da singole batterie agli ioni di litio, ai polimeri di litio o al fosfato di litio, possono essere pericolosi se utilizzati in modo errato e causare incendi o esplosioni. Per garantire la sicurezza di utilizzo, i componenti elettronici all'interno del pacco provvedono al monitoraggio delle batterie, in modo che possano operare soltanto nelle condizioni specificate dal costruttore delle batterie. Generalmente queste condizioni sono:
- La massima tensione di carica consentita.
- Le correnti massime di carica e scarica.
- Un intervallo di temperatura specifico per la carica e la scarica.
Pertanto, la misurazione di parametri chiave all'interno del pacco batterie è fondamentale, in particolare per la tensione, la corrente e la temperatura delle batterie all'interno del pacco, in quanto tali dati fanno scattare interventi protettivi adeguati nel caso in cui i parametri superino i limiti.
I dati di misura devono essere precisi in modo che i progettisti possano determinare il margine da includere in un progetto. Ad esempio, se le specifiche di una batteria limitano la tensione di carica completa a 4,3 V, ma i dati di misura presentano una precisione di ±50 mV, i progettisti devono configurare il sistema in modo da disabilitare la carica ogni volta che la misurazione indica una tensione superiore a 4,25 V. Tuttavia, poiché la tensione effettiva della batteria potrebbe essere anche di soli 4,2 V, in questo caso la ricarica si fermerebbe prima che la batteria sia caricata completamente, comportando uno spreco di capacità e una minore durata di vita della batteria per l'applicazione.
I sistemi di monitoraggio e di protezione delle batterie ad alta precisione per i pacchi batterie, come BQ76942 e BQ76952, sono progettati appositamente per applicazioni che utilizzano batterie agli ioni di litio, ai polimeri di litio o al fosfato di litio. Compatibili con batterie impilate in serie da 3s a 10s (per il BQ76942) e 16s (il BQ76952), questi dispositivi misurano la tensione, la corrente e la temperatura delle batterie e possono condividere dati con altri circuiti, come un microcontroller separato all'interno di un pacco batterie o con il controller di sistema di una e-bike. Inoltre, il BQ76942 e il BQ76952 possono utilizzare i dati per attivare autonomamente la protezione della batteria, disabilitare un pacco batterie per evitarne il funzionamento al di fuori delle specifiche del produttore e riattivare nuovamente il pacco quando le condizioni lo consentono, con o senza l'interazione con un host o un microcontroller di sistema.
La Figura 1 mostra lo schema a blocchi per il BQ76952, che integra:
- Sottosistemi di misurazione e rilevamento, per il monitoraggio di tensioni, corrente e temperatura in modo da rilevare il superamento di una soglia consentita da parte di un parametro.
- Attuatori per il pilotaggio di FET di protezione esterna e un fusibile chimico.
- Un sottosistema di interfaccia host digitale, che supporta numerosi standard di comunicazione seriale, oltre ai controlli dei pin per determinate funzioni.
- Diversi stabilizzatori di tensione, uno per circuiti interni e due per uso esterno.
La Figura 2 mostra lo schema semplificato di un pacco batteria 16s basato sul BQ76952 e con l'uso di I2C per la comunicazione con un microcontroller host. I regolatori integrati forniscono rail di alimentazione per il microcontroller e un ricetrasmettitore esterno opzionale.
Il sottosistema di misurazione in BQ76942 e BQ76952 digitalizza varie tensioni, correnti e temperature all'interno del pacco batterie. Queste misurazioni si ottengono in modi diversi per via dei requisiti specifici per ciascuno. Ad esempio, la temperatura varia lentamente e può essere quindi misurata e calcolata a intervalli lenti. Tuttavia, la corrente del pacco può presentare brevi picchi di attività, che possono andare persi se non campionati in continuo.
I valori generati dagli ADC di tensione e per contatori di coulomb vengono elaborati per fornire i dati di misurazione, che vengono utilizzati all'interno del dispositivo e resi accessibili a un processore separato all'interno del pacco batterie oppure al controller di sistema nell'utensile elettrico o nella e-bike. Questi dati comprendono:
- Tensione differenziale di singole batterie e tensioni di sistema aggiuntive selezionate.
- Corrente del pacco e carica passata (conteggio dei coulomb).
- Valori di temperatura del die interno e di fino a nove termistori esterni.
I pin che supportano la misurazione del termistore esterno possono essere utilizzati anche per ingressi ADC per uso generico per il supporto di tensioni di ingresso fino a ~1,8 V. L'ADC di tensione funziona su un loop di misurazione con l'ingresso in multiplexing tra più ingressi su base periodica. Il sottosistema di misurazione di BQ76942 e BQ76952 comprende diverse opzioni programmabili per tenere conto dell'ottimizzazione e dei compromessi tra velocità di misurazione e precisione.
Poiché i prodotti consumer alimentati a batteria si stanno diffondendo sempre più, è essenziale assicurarsi che funzionino entro intervalli di tensione, corrente e temperatura sicuri. I sistemi di monitoraggio della batteria con funzionalità integrata possono aiutare i progettisti a risolvere queste tre problematiche chiave migliorando la precisione al tempo stesso. Le seguenti risorse forniscono ulteriori informazioni sulla progettazione con i sistemi di monitoraggio della batteria di TI.
Risorse supplementari
- Scoprite i moduli di valutazione per BQ76942 e BQ76952.
- Leggete l'articolo tecnico «Protezione, monitoraggio o indicazione: la scelta dell'elettronica corrette per la batteria del vostro sistema agli ioni di litio».
