Gli utenti oggi si aspettano che sullo schermo dei propri dispositivi elettronici portatili appaia sempre l'indicatore di stato della batteria.. Un indicatore di stato non è solo un semplice indicatore a disposizione del consumatore. In alcune applicazioni particolarmente critiche, ad esempio nel settore industriale e sanitario, l'integrità dei dati può essere compromessa da uno spegnimento improvviso causato da una batteria scarica. Un indicatore di stato affidabile e preciso consente ai progettisti di sviluppare processi di spegnimento in condizioni di sicurezza. Inoltre, consente all'utente di attivare una modalità di risparmio energetico per estendere l'operatività del dispositivo. Le soluzioni per l'indicatore di stato della batteria, presenti sui dispositivi più datati, con batterie ricaricabili a ioni di litio o a polimeri di litio, privilegiavano il costo contenuto rispetto alla precisione e all'efficacia adottando, per valutare lo stato di carica, una rilevazione basata sulla tensione di cella. Questo metodo, tuttavia, si è dimostrato impreciso e inaffidabile. Per circa il 70% del ciclo di scarica di una batteria al litio, la tensione di cella è compresa fra 3,9 e 3,6 V. Questo significa che un forte aumento del valore della Profondità di scarica (DoD) è associato a un leggero calo della tensione monitorata. Successivamente, quando il valore della DoD passa da circa l'80% al 100%, la tensione della cella cala in modo sensibile a partire da 3,6 V. Durante la fase intermedia del ciclo di scarica gli schemi di monitoraggio della tensione, pertanto, devono sacrificare la precisione. In teoria, fra 3,9 e 3,6 V, si potrebbe adottare un campionamento ad altissima risoluzione della tensione della cella, ma si tratta di una soluzione particolarmente costosa e non conveniente dato che la tecnica di monitoraggio della tensione presenta un altro inconveniente: la correlazione fra la tensione di cella e il valore della DoD cambia nel tempo e con la temperatura. Così, se anche si potesse misurare con precisione la tensione di cella, il valore della DoD prodotto non sarebbe ancora affidabile. Il monitoraggio della tensione, quindi, è un sistema economico e semplice da adottare, ma è anche molto impreciso e inaffidabile.
Un approccio diverso
Questo articolo prende in considerazione le opzioni che gli sviluppatori di sistema hanno a disposizione quando desiderano adottare un circuito per l'indicatore di carica che continui ad essere preciso per tutta la vita utile della batteria. Una tecnica ampiamente adottata nei telefoni mobili, nota con il nome di “Calcolo di Coulomb”, affronta il problema della conservazione della precisione anche quando, con il passare del tempo, cambiano le caratteristiche fisiche di una cella. Un circuito con calcolo di Coulomb prevede la presenza di un resistore stabilizzatore di corrente e di un circuito integrato per l'indicatore di carica. Nel corso di un ciclo di carica/scarica iniziale, l'IC apprende la capacità di carica effettiva della batteria. Con il monitoraggio della tensione che attraversa il resistore stabilizzatore di corrente, il dispositivo sarà quindi in grado di misurare la quantità di carica aggiunta, o assorbita, della batteria. Dato che l'IC dell'indicatore di carica conosce la quantità di carica della batteria quando è completamente carica, e la quantità di carica assorbita in un dato momento, non è difficile calcolare, in modo dinamico, i valori della DoD, della capacità e del tempo residui. Eccezione… la capacità di una batteria al litio si riduce a ogni ciclo di carica/scarica e, pertanto, con il passare del tempo, si modificano costantemente i valori memorizzati dal sistema per la capacità di carica, e la capacità di carica effettiva. Questa condizione contribuisce a rendere sempre meno preciso l'indicatore di carica. Si preda per esempio una batteria nuova, con una capacità di 1000 mAh. Partendo da uno stato di carica completa e con il dispositivo ospitante che ha assorbito una carica equivalente a 700 mAh, il circuito integrato dell'indicatore di carica, quindi, calcolerà che lo stato di carica (SoC) è pari al 30% (300 mAh/1000 mAh). Dopo un certo numero di cicli di carica/scarica, si supponga che la capacità di carica della batteria sia scesa a 900 mAh. A questo punto, nelle stesse condizioni d'uso del dispositivo, un assorbimento pari a 700 mAh produrrà un valore SoC effettivo del 22,2% (200 mAh/900 mAh). Un comune indicatore di carica a calcolo di Coulomb, tuttavia, continuerà a registrare un valore SoC pari al 30% in quanto il valore della capacità di carica registrato in memoria è di 1000 mAh. Il livello tipico di precisione di un circuito a calcolo di Coulomb per una batteria nuova è del 2-3% ma, con il passare del tempo, e a mano a mano che si riduce la capacità di carica della cella, tale valore, dopo 500 cicli, può arrivare fino al 25%. Per controbilanciare questo effetto, i produttori di circuiti integrati per gli indicatori di carica, come Texas Instruments e Maxim, hanno cercato di adottare nuovi algoritmi che potessero compensare gli effetti dell'invecchiamento. Per esempio, i dispositivi bq27200/bq27210 di TI sono in grado di “riapprendere” la capacità di carica di una cella in base alla quantità di carica assorbita per un ciclo di scarica completo.
Questa procedura dovrebbe ridurre la perdita di precisione di un calcolo di Coulomb nel corso del tempo. Ma l'effetto di questa soluzione può presentare dei limiti. Il primo è che il processo di riapprendimento può verificarsi solo se l'utente consente che la batteria si scarichi completamente. Un utente di un telefono mobile che ricarica regolarmente la batteria quando l'indicatore di carica segnala due o più barre, non consentirà mai al sistema di riapprendere la capacità della batteria. In secondo luogo, anche se la batteria viene soggetta a un ciclo di carica/scarica completo, vi sono molte condizioni - tra cui le basse temperature, i carichi ridotti, un calo rapido di tensione, un numero eccessivo di cariche e scariche automatiche - che potrebbero vanificare il processo di riapprendimento. Per riepilogare, quindi, la precisione di un circuito a calcolo di Coulomb ha un suo valore solo per quanto riguarda la lettura della capacità di carica più recente che, in molti casi, potrebbe corrispondere alla prima lettura effettuata su una batteria nuova.
Una tecnica per conservare la precisione
Anche se, in alcune circostanze, il calcolo di Coulomb può raggiungere un alto livello di precisione nel corso della vita utile della batteria, non potrà garantirlo per tutta la vita utile della batteria stessa. Per le applicazioni critiche che richiedono dati di stato di carica (SoC) precisi - per esempio alcuni dispositivi medici portatili - è necessario adottare una tecnica più efficace. Un nuovo approccio, Impedance Tracking, utilizza una tecnologia brevettata da TI che promette di garantire nel tempo la precisione degli indicatori di carica. Il funzionamento di Impedance Tracking adotta il calcolo di Coulomb, ma combinato anche ad altre tecniche che annullano le limitazioni proprie di questo conteggio. Impedance Tracking si basa sul fatto che la tensione di circuito aperto (OCV, quando la batteria non è né in fase di carica, né di scarica) di una cella può essere correlata al valore della profondità di scarica (DoD). Ma, con il passare del tempo, questa correlazione cambia: quanto più numerosi saranno i cicli di scarica/scarica di una cella, tanto inferiore sarà la OCV per un dato valore della DoD. Per controbilanciare questo effetto, la tecnica Impedance Tracking mantiene traccia dei cambiamenti intervenuti nella resistenza interna della cella con il passare del tempo, in quanto la modifica del rapporto OCV/DoD, di per se stessa, è correlata ai cambiamenti di tale resistenza interna della batteria. Contemporaneamente, l'adozione di Impedance Tracking consentirà di conservare costantemente una traccia della riduzione della capacità di carica della cella (Qmax) nel corso del tempo. In condizioni operative normali, un sistema Impedance Tracking misurerà, ogni volta che è possibile, il valore OCV. Quindi, modificherà questo valore di tensione tenendo presente il calo di tensione determinato dalla resistenza interna della batteria. Infine potrà leggere, dai dati contenuti in memoria, un valore della DoD.
Quando il dispositivo viene caricato o scaricato non si trova in una condizione OCV e, pertanto, per tracciare la DoD, si dovrà fare uso del calcolo di Coulomb fino al successivo evento OCV, quando il valore della DoD verrà reimpostato in base alla lettura aggiornata della resistenza interna della batteria. Dato che il sistema effettua anche un monitoraggio Qmax dinamico, è anche in grado di estrarre dal valore preciso della DoD un valore altrettanto preciso della carica e del tempo rimanente. Visto che si basa su dati di impedenza che rilevano le condizioni fisiche della batteria nel corso del tempo, questa tecnica è in grado di assicurare un livello di precisione costante, migliore dell'1%, per tutta la durata utile di una batteria.
I circuiti integrati di TI che utilizzano l'Impedance Tracking, come quelli della famiglia bq20zxx, forniscono risultati completi via SMBus utilizzando, per i valori dello stato di carica (SoC), della carica rimanente, di Qmax ecc, il protocollo standard Smart Battery System (SBS) 1.1. Contengono inoltre funzioni di protezione che eliminano la necessità di alcuni componenti esterni e una funzione di registrazione cronologica dei dati. Questa funzione mette a disposizione i dati della condizione della batteria, particolarmente utili per i tecnici di assistenza e di riparazione.
La scelta della tecnologia appropriata
Dal punto di vista di questo autore, le sole giustificazioni per l'adozione di un monitoraggio di tensione basilare, da usare come tecnica di indicazione di carica, sono la trascurabilità delle letture effettive e una presentazione dei dati all'utente per soli scopi “estetici” piuttosto che come indicazione effettiva dello stato di carica. Il monitoraggio della tensione è troppo impreciso per gli utenti che devono fare conto sulle letture SoC. Per le applicazioni che richiedono un alto livello di precisione, o quando deve essere garantito un certo livello di precisione, gli sviluppatori dovrebbero adottare Impedance Tracking. Questo tipo di applicazioni giustifica i costi aggiuntivi dei materiali necessari. Se le informazioni SoC non sono un elemento critico, la tecnica del calcolo di Coulomb è, a volte, sufficientemente precisa, anche se il progettista deve tenere a mente che non viene garantito il livello di precisione e che tale livello potrebbe diminuire nel corso del tempo se il circuito integrato dell'indicatore di carica non è in grado di “riapprendere” la capacità di carica massima di una cella. E, mentre quasi tutte le applicazioni basate su microcontrollori riconoscono l'interfaccia I2C, utilizzata dai sistemi di calcolo di Coulomb, alcune potrebbero non essere dotate dell'interfaccia SMBus prevista da Impedance Tracking. Indipendentemente dalla tecnica adottata, gli sviluppatori che non desiderano gestire i dati per l'indicazione di carica possono richiedere, tramite il servizio CellPac Plus, che tale progettazione venga gestita da Varta Microbattery. Varta progetterà una batteria con la tecnologia Impedance Tracking, oppure con il calcolo Coulomb, e la produrrà, per conto del cliente, nelle quantità richieste.
