Аналогови подходи за удължаване експлоатационния срок на акумулаторни батерии

Кевин Третър

За да се удължи максимално животът на една батерия, е необходимо да се вземат под внимание три основни фактора: технологията, по която е произведена батерията, цифровото управление на консумацията и аналоговите методи за поддържане на ниско потребление на енергия.

Докато повечето разработчици са запознати със силните и слабите страни на различните батерии от гледна точка на химичния им състав, а също така и с цифровото регулиране, то най-често ролята, която аналоговите решения, осигуряващи по-ниско енергопотребление, могат да играят за удължаване живота на батериите, не им е толкова добре позната.

Химичният състав на батериите
Едно от ключовите решения при разработката на преносими електронни устройства е изборът на батерия според технологията, по която е произведена. Четири са основните видове най-често използвани за тази цел акумулаторни батерии според химичния им състав – алкални, никел-кадмиеви (NiCd), никел-метал-хидридни (NiMH) и литиево-йонни (Li-Ion), като всеки от тях има своите предимства и недостатъци.

По правило, една напълно заредена алкална клетка осигурява напрежение от около 1,5 V. Това напрежение намалява, когато се използва енергия от батерията, и при 90-процентно изтощаване ще падне на около 0,9 V. Комбинацията от относително голям капацитет и голямо вътрешно съпротивление прави алкалните батерии неефективни за приложения с високо потребление на ток, като например ръчни електроинструменти.

За приложения, свързани с консумация на големи токове, никел-кадмиевите (NiCd) батерии предлагат много устойчиво и евтино решение, като осигуряват номинално напрежение от 1,2 V, намаляващо до 0,9 V при изтощаване на батерията. Сред характерните им недостатъци са относително ниската енергийна плътност и наличието на токсични метали. Освен това, през определен период от време е необходимо да се разреждат изцяло, за да се предотврати образуването на големи кристали по плочите на клетката, което намалява живота на батерията и влошава експлоатационните й характеристики (т. нар. memory effect).

За разлика от никел-кадмиевите, никел-метал-хидридните (NiMH) клетки са по-безопасни за околната среда и осигуряват с около 40% по-голяма енергийна плътност. Номиналното им напрежение е около 1,25 V и пада до под 1,0 V при изтощаване на батерията. Недостатъци на NiMH батерии са значително по-високият темп на саморазряд в сравнение с никел-кадмиевите, както и ниската издръжливост при работа с товари с периодично голямо повишение на консумацията и при екстремни температури.

В голяма част от преносимите електронни устройства понастоящем се използват литиево-йонни батерии. Една напълно заредена литиево-йонна клетка дава изходно напрежение на празен ход от около 3,6 V, което намалява до към 2,7 V при пълно изтощаване. Предимствата при използването на Li-Ion батерии са по-малкото тегло, по-високото изходно напрежение на клетката и при литиево-полимерните разновидности - възможността да бъдат формовани.

Допълнително предимство на литиево-йонните и литиево-полимерните батерии е в това, че тяхната енергийна плътност продължава да нараства и понастоящем е около два пъти по-голяма от тази на стандартните никел-кадмиеви, като цените им намаляват. Основният недостатък на този химичен състав е, че батериите могат да експлодират при претоварване. Тази основателна загриженост за безопасността кара производителите в редица случаи да избират никел-метал-хидридни батерии, особено когато размерът и теглото не са критичен фактор.

DC/DC преобразуватели
Да се разбират принципите на работа на DC-DC преобразувателите е важно за оптимизирането на работните характеристики на дадено устройство. По правило, изборът е между линейни стабилизатори, ключови стабилизатори и преобразуватели с натрупване на заряд (зарядни помпи).

Макар че има няколко вида линейни стабилизатори, най-широко разпространени в устройствата със захранване от батерия са тези с малко напрежение (LDO – Low Dropout Voltage). При тях един P-канален проходен транзистор между входа и изхода се използва като променлив резистор с обратна връзка, чрез която се стабилизира дадено изходно напрежение.

За сравнение, ключовият стабилизатор използва диод, индуктивност и транзистор, работещ в ключов режим, който прехвърля енергията от входа към изхода. Като схемно решение ключовият стабилизатор може да бъде понижаващ (buck), повишаващ (boost) или инвертиращ (buck/boost).

Понижаващият (buck) дава стабилизирано изходно напрежение, което е по-ниско от входното и по това прилича функционално на линейния стабилизатор с малко напрежение (LDO); повишаващият (boost) ключов стабилизатор дава изходно напрежение по-високо от входното; а инвертиращият (buck/boost) дава стабилизирано изходно напрежение за широк диапазон от входни напрежения, които може да са по-големи или по-малки от изходното.

При третия вид стабилизатори, с натрупване на заряда (зарядните помпи), се използва кондензатор за съхранение на енергията, като плочите му чрез ключове се свързват към входното напрежение. В зависимост от схемното решение, стабилизаторът с натрупване на заряда може да удвои, утрои, инвертира, намали наполовина или дори да осигури изходно напрежение с произволно избрана стойност.

Използването на кондензатори за заряд и разряд с цел прехвърляне на енергия означава, че стабилизаторът с натрупване на заряда може да осигури относително малък изходен ток, не повече от няколкостотин милиампера.

Таблица 1 обобщава предимствата и недостатъците на всеки от тези DC-DC преобразуватели и изборът на оптималното схемно решение ще зависи от параметрите на конкретното приложение. Там, където дългият живот на батерията е от съществено значение, ключов стабилизатор с висок КПД може да е най-добрият избор; докато в приложения с високо ниво на шума, обикновено изборът ще е в полза на линейния стабилизатор.

При всички положения обаче за постигането на стабилни и добри работни характеристики е необходимо да се предвиди схемотехнически възможността за управление на потребяваната мощност.

DC-DC преобразуването предлага редица методи за удължаване срока на експлоатация на батерията. На фигура 1 например е показано разполагането на кондензатор на входа и на изхода на DC-DC преобразувател. В този случай ключовият стабилизатор, който отваря и затваря входния ключ, може да доведе до рязко покачване на тока през входния извод, което може да бъде минимално, ако се монтира голям входен кондензатор като заряден буфер.

Това може да влияе върху срока на експлоатация на батерията, защото, в зависимост от химичния й състав, вътрешното съпротивление може да стане съществено и когато от батерията импулсно се тегли голям ток, това да доведе до значим пад на напрежение върху клетката. По-голям входен кондензатор, монтиран между батерията и ключовия стабилизатор, ще намали моментната стойност на този токов импулс, съответно и пада на напрежение върху батерията. Намаляването до минимум на този пад може да удължи живота на батерията, преди да е достигнато минималното за съответния вид електрохимична клетка изходно напрежение.

В устройства с ниска консумация, които значително време са в режим на очакване (standby) или в неактивен (sleep) режим, може да не е необходимо стабилизаторът да работи непрекъснато. В такива случаи, използването на по-голям изходен кондензатор, осигуряващ необходимия за товара малък ток, може да е по-ефективно от гледна точка на потребяваната енергия. Стабилизаторът работи в цикличен режим - включен/изключен - като при включване кондензаторът се зарежда дотолкова, че да може да осигури тока за товара в периодите на изключено положение.

Цифрово управление на консумацията
Динамичното пренастройване на захранващото напрежение е друг общоприет метод за максимално удължаване на срока на експлоатация на батерията. При работа с по-ниско напрежение един цифров товар, микроконтролер примерно, се нуждае от по-малък ток и поради това потребява по-малка мощност.

Недостатъкът обаче е в това, че при работа с по-ниско напрежение се ограничава бързодействието на микроконтролера и способността му да осигурява достатъчна мощност на изходите си. Динамичното пренастройване на захранващото напрежение позволява на микроконтролера да работи при по-ниско напрежение и по-малка консумирана мощност, когато е в режим на очакване (standby) или в неактивен (sleep) режим, и заедно с това да превключи на по-високо напрежение, когато трябва да обработва или прехвърля данни. Този метод се прилага широко в изчислителната техника и в много други захранвани от батерия устройства, в които микроконтролерът работи в различни режими.

Съотношението между времето в активен режим и времето в режим на очакване (standby) или неактивен (sleep) режим ще влияе и върху срока на служба на батерията за всяко устройство. Докато детекторите за въглероден двуокис обикновено са непрекъснато в активен режим, то други устройства могат да останат в очакващ или неактивен режим до момента, в който трябва да извършат определена операция. Примери за такива устройства, които не са непрекъснато в активен режим са “интелигентните” водомери, дистанционните и детекторите за дим с фотоприемник.

Управление на консумацията в аналоговата част
В интернет има много материали, целящи да помогнат на разработчиците да преценяват и управляват консумацията в цифровата част, като използват различните режими на микроконтролерите и като включват и изключват периферни модули според нуждите. Следствията от работата на микроконтролера непрекъснато в активен режим или пък от вкарването му в неактивен (sleep) режим и последващото му събуждане за извършване на дадени операции също са добре описани.

Що се отнася до регулиране на потребяваната мощност в аналоговата част, вариантите не са толкова ясни.
Докато за системи, работещи непрекъснато в активен режим, продължава да е необходимо да се избират аналогови интегрални схеми с възможно най-малко потребление на ток, то за устройствата, превключващи между активен и неактивен режим, трябва да се отчита и токът по време на преходните процеси при превключване.

Може да се окаже, че компонент с по-голямо потребление на ток в активен режим, но с по-добро бързодействие, е енергийно по-ефективен за по-дълъг период от време спрямо друг негов еквивалент, консумиращ по-малко ток, но отстъпващ по бързодействие и съответно с по-дълги преходни процеси.

Изборът на подходяща батерия според електрохимичната й технология и цифровите методи за управление на консумацията са съображения, с които разработчиците са добре запознати, когато целта е да се удължи срока на служба на батерията. Прилагането на аналогови методи за намаляване на консумацията не е толкова популярно, но може да играе съществена роля за по-дългия живот на батерията и оптимизирането на експлоатационните характеристики на устройството.