Tel die Coulombs voor een gezonde lithium-batterij! Details binnenin!

Vroeger vroegen ingenieurs zich af hoeveel laptops is genoeg? Nu is die vraag: hoeveel tablets hebben we nodig? Mijn nieuwste is een mooie Android Marshmallow convertible RCA-tablet van 12 inch met een afneembaar toetsenbord. Tijdens vergaderingen ziet hij eruit als een normale, platte laptop waarop ik belangrijke notities aan mezelf schrijf zoals "marketing herstructureren zodat het meer oplossingsgericht wordt" of "meer kip eten". Soms moet ik de rest van het team een presentatie laten zien, dus dan haal ik het display van het toetsenbord af en geef ik een toelichting bij mijn grafieken. Natuurlijk luistert niemand naar wat ik zeg (net als mijn ouders) en vragen ze me alleen maar "wat is dat?" Helaas hebben ze het dan niet over mijn briljante PowerPoint-vaardigheden, maar willen ze meer weten over mijn tablet.

Dus bespreken we dan mijn tablet en laat ik ze een stuk van "The Adventures of Buckaroo Banzai Across the ^8th Dimension" zien voordat we lunchpauze houden. Later, wanneer het scherm van de tablet donker is geworden, raak ik even de power-toets aan om hem te wekken, houd ik mijn adem in en hoop ik dat hij niet is vastgelopen. Dat heet de Android Sleep of Death, ofwel SOD (en als het een acroniem heeft, bestaat het echt). Geen probleem, ik weet hoe ik dat moet oplossen - de volgende dag laad ik de tablet op tot 100% en laat ik hem ontladen tot 2% met het scherm aan terwijl ik een film afspeel ("Buckaroo") en daarna laad ik hem weer helemaal op tot 100%, zonder te stoppen. Dat doe ik tweemaal per jaar en de tablet crasht niet meer en wordt stabieler. De vraag is dus: waarom werkt dit?

Onlangs schreef ik een prijswinnende (in mijn eigen verbeelding dan) driedelige serie voor DigiKey over het ontwerpen van wearables en in Deel 2 "Batterijen beschermen en opladen voor een lange levensduur" onderzocht ik lithium-ion-batterijen en batterijmeters. Want anders dan wat velen op het internet geloven, is het niet de hoofdprocessor van een tablet of wearable die het niveau en de status van de batterij in de gaten houdt, maar een aparte chip. De meeste draagbare apparaten die op batterijen werken, gebruiken lithium-ion batterijen en in veel van die apparaten zitten batterijbeheerchips van Maxim Integrated. Zelfs als je denkt dat je draagbare apparaat is uitgeschakeld, blijft de batterijbeheerchip actief en bewaakt die voortdurend de status van de lithium-ion batterij.

Het laadniveau van een oplaadbare lithium-ion batterij is niet eenvoudigweg een percentage van een maximumspanning. Als een lithiumbatterij van 3,7 volt op 3,1 volt is, is de batterij niet op 84% omdat in veel gevallen een lithium-ioncel bij 3,0 volt als leeg wordt beschouwd. Maar ook 14 procent is niet juist. Hoe kan je dus echt weten wat de beschikbare capaciteit van een lithium-ion batterij is?

Dat wordt coulomb-tellen genoemd. Een batterijbeheerchip telt in wezen de coulombs die in en uit de batterij gaan. Of beter gezegd: coulomb-tellen houdt de totale stroom en spanning over de tijd in en uit een lithium-ion batterij bij om de beschikbare capaciteit van de batterij te bepalen.

Een vereenvoudigd voorbeeld zou zijn dat als een volledig opgeladen batterij gedurende 48 uur 200 milliampère (mA) af zou geven totdat hij leeg is, de batterijcapaciteit 200 mA x 48 uur = 9,6 ampère-uur (Ah) zou zijn. In werkelijkheid is coulomb-tellen complexer dan dat en daarom is er een speciale chip voor nodig die de intelligentie heeft om de berekeningen te kunnen maken. De MAX17303X+ van Maxim Integrated is zo'n chip. In het toepassingscircuit dat op Afbeelding 1 te zien is, wordt de stroom die in en uit de lithium-ion batterij gaat gemeten over de detectieweerstand aan de onderkant.

Afbeelding 1: De MAX17303X+ lithium-ion batterijbeheerchip van Maxim Integrated kan eenvoudig communiceren met een microcontroller en houdt alle stroom in en uit de batterij bij (Bron afbeelding: Maxim Integrated).

De MAX17303X+ is programmeerbaar en communiceert met een microcontroller via een I²C seriële interface. Hij heeft een interne processor voor batterijberekeningen, samen met RAM- en niet-vluchtig geheugen. De chip houdt alle stroom en spanning bij die de batterij verlaat tijdens het ontladen en die de batterij binnenkomt tijdens het opladen. Het bedrijf verbetert de coulomb-telling met ModelGauge m5, zijn eigen batterijmeteralgoritme.

Niet-vluchtig geheugen slaat de maximum- en minimumspanning, -stroom en -temperatuur van de batterij op, samen met verzamelde batterijstatusinformatie die behouden moet blijven als het batterijvermogen wegvalt. Dit is belangrijk omdat veel lithium-ion batterijen beschermingscircuits bevatten die diepe ontlading voorkomen door de batterij bij zeer lage spanningen uit te schakelen totdat hij is opgeladen.

Het belangrijkste voor de consument: de MAX17303X+ houdt nauwkeurig de batterijstatus bij voor de batterijmeter. De oplaadstatus (state of charge - SOC) wordt berekend als een percentage van de beschikbare batterijcapaciteit op die tijd in Ah tegen de gemeten maximumcapaciteit van de batterij. De gezondheidsstatus (state of health - SOH) is de maximaal beschikbare Ah van de batterij tegen de maximumcapaciteit van de batterij wanneer die nieuw is.

En toch, hoe slim de batterijbeheerchip ook is, zijn fouten onvermijdbaar, dus moet de batterijmeter worden gekalibreerd om nauwkeurig te blijven. Kalibratie betekent de batterij ontladen van 100% tot bijna leeg. Dit geeft de MAX17303X+ een nauwkeurig begrip van het ontladingsgedrag. Daarna wordt de batterij opgeladen tot 100 procent, zodat de chip leert wat zijn oplaadvermogen is. Dan is de batterijmeter gekalibreerd.

Ik pakte dus mijn RCA-tablet en kalibreerde de batterij nogmaals met Buckaroo Banzai om het scherm ingeschakeld te houden terwijl ik hem liet ontladen tot 2 procent, om de SOD te voorkomen. Toen laadde ik hem op tot 100 procent en daarna schakelde ik de tablet vijf minuten uit. Daardoor krijgt de batterijbeheerchip de tijd om de volledig opgeladen batterijspanning bij minimale belasting af te lezen. Daarna crashte de tablet niet meer. Dat niet alleen, maar hij reageerde ook beter en sneller op aanrakingen.

Hoe werkt dat?

Waarom zorgt het kalibreren van de batterijmeter ervoor dat de tablet niet meer crasht? Mijn theorie is dat bij de druk op de toets om de tablet te wekken uit de slaapstand, de host-microcontroller de batterijstatus eerst afleest vanaf welke batterijbeheerchip er ook wordt gebruikt. Ik denk dat de firmware van de host-microcontroller onverwachte gegevens (lees: waar hij niet voor is gecodeerd) leest en helaas heeft de firmware geen uitzonderingshandler voor dat probleem, waardoor de tablet vastloopt. Iets dergelijks gebeurt er wanneer de tablet actief is en af en toe de data van de batterijbeheerchip controleert.

Dat roept de vraag op: "Waarom zou je je batterij dan niet altijd kalibreren?" Omdat lithium-ion batterijen permanent beschadigd raken door diepe ontladingen. Twee of drie keer per jaar is daarom voldoende. Dit geldt voor alles met een oplaadbare lithium-ion batterij, inclusief wearables en Internet of Things (IoT)-eindpunten.

Het kalibreren van de batterij kan dus de stabiliteit van een lithium-ion systeem verbeteren. Het is absoluut nodig om een nauwkeurige batterijmeter te hebben en het is hard nodig als we ooit denken de 8^e dimensie te kunnen bereiken.