Misure accurate e stabilità in temperatura

Le batterie a ioni di litio vengono sempre più utilizzate in numerosi dispositivi portatili che richiedono batterie ricaricabili. Maggiore densità di energia per volume e peso, alta tensione, tasso ridotto di auto-scarica e assenza di effetto memoria sono i principali vantaggi di questo tipo di batterie.

Quando si decide di utilizzare una batteria a ioni di litio, una sua corretta gestione è importante per garantire un funzionamento sicuro, la massima capacità per ciclo e la più lunga durata. Per questo motivo, di solito si utilizza un’unità per la gestione della batteria (BMU - Battery Management Unit). Per ottenere la massima sicurezza di funzionamento, è importante che la BMU sia in grado di assicurare che le celle che compongono la batteria non eccedano mai le specifiche stabilite dal costruttore in termini di tensione, temperatura e corrente. Ciò significa che nel progetto di un sistema per la gestione della batteria è necessario tenere in considerazione le condizioni nel caso peggiore (worst case). Un esempio è la tensione di fine carica: nel caso delle batterie dei notebook, la tensione della cella della batteria non dovrebbe mai superare 4,25 V. Per assicurare che ciò non possa accadere, la procedura consigliata è quella di prendere in considerazione la deviazione standard della misura della tensione nella BMU e sottrarre un valore pari a 4 volte quello della deviazione standard dalla tensione di fine carica. Quindi, nel caso la BMU misuri una tensione di 4,25 con un deviazione standard di 12,5 mV, è consigliabile terminare la carica a un valore di tensione pari a 4,2 V. Ciò naturalmente è in conflitto con la richiesta di ottenere la massima capacità da una data cella: quando si carica a una tensione più elevata, la capacità risulta maggiore. Per aumentare la durata della batteria, inoltre, è importante evitare valori di carica particolarmente elevati e tensioni di scarica di valore eccessivamente ridotto. L’usura sulle celle è più evidente quando queste si trovano al di fuori dei valori raccomandati di EOCV (End of Charge Voltage - tensione di fine carica) e EODV (End of Discharge Voltage - tensione di fine scarica).

IMPORTANZA DELL’ACCURATEZZA DELLE MISURE

L’accuratezza delle misure di tensione determina i margini di sicurezza richiesti per EOCV e EODV. Più accurate sono le misure, più ridotti saranno i margini di sicurezza richiesti per rientrare nei limiti raccomandati. Una misura della tensioni più accurata garantisce quindi che le operazioni di carica e di scarica soddisfino i valori di EOCV ed EODV raccomandati senza penalizzazioni in termini di sicurezza e senza il rischio di incorrere in un esaurimento (fading) prematuro della capacità della batteria. L’accuratezza della misura del flusso di carica è importante per l’esecuzione del calcolo della carica.

DERIVA TERMICA: UN PARAMETRO DA TENERE IN CONSIDERAZIONE

Ottenere una notevole precisione nella misura a una data temperatura è un compito semplice, specialmente nel caso la BMU sia calibrata quando il pacco di batterie viene assemblato. I pacchi di batterie solitamente sono soggetti a numerose variazioni di temperatura e la deriva termica è il parametro chiave che distingue una BMU realmente efficace da una BMU tradizionale con prestazioni più modeste. I parametri più critici per ottenere un’elevata accuratezza nella misura della tensione rispetto alla temperatura sono la deriva del guadagno del convertitore A/D e quella del riferimento di tensione. L’offset della misura di tensione è inferiore a 3 mV rispetto a una misura di 4200 mV e può essere trascurato nei progetti pratici. Per misure accurate del flusso di carica vi sono parecchi parametri da tenere in considerazione, in quanto risulta di particolare importanza mantenere un valore della caduta di tensione sul resistore di rilevamento il più ridotto possibile. Per quanto concerne l’accuratezza, l’offset del convertitore A/D dopo la calibrazione, la deriva dell’offest dell’ADC e la sua deriva del guadagno, la deriva del riferimento di tensione e la deriva della base tempi rivestono tutti un ruolo importante. Per correnti di piccola intensità i parametri relativi all’offset sono quelli più critici. Nel caso di correnti di intensità più elevata, i parametri da prendere maggiormente in considerazione sono l’errore di guadagno, il riferimento di tensione e la base tempi. Fino a un certo punto, è possibile compensare la deriva termica mediante la calibrazione a diverse temperatura. Si tratta di un procedimento molto costoso e al di fuori della portata di parecchi costruttori di batterie. Una BMU ad alte prestazioni deve quindi essere caratterizzata da valori minimi di deriva termica e i progettisti di batterie devono tenere in considerazione le variazione nel caso peggiore della BMU per garantire la sicurezza del progetto.

MISURE DI CORRENTE L’ACCURATEZZA DELL’INDICATORE DI LIVELLO

Il metodo più efficace per realizzare un indicatore di livello (gas gauge) per una batteria a ioni di litio è quello di rilevare in maniera accurata il flusso della carica in entrata e in uscita dalla batteria. Fino a un certo punto è possibile utilizzare una misura accurata della tensione per compensare gli errori nel flusso di carica a causa della relazione quasi costante tra la tensione di corto circuito (OCV – Open Circuit Voltage) e lo stato della carica (SoC – State of Charge). Alcune delle più recenti celle a ioni di litio evidenziano una caratteristica in tensione molto piatta, fatto questo che rende più difficile la correzione di un errore nella misura di corrente mediante una misura OCV. Un piccolo errore nella misura di tensione può portare a un errore significativo nel calcolo dello stato di carica per celle che evidenziano una caratteristica del tipo di quello appena sopra segnalato. Una accuratezza migliore si ottiene quindi con misure precise di corrente e una base dei tempi accurata. Come accennato poco sopra, in presenza di correnti di ridotta intensità, il contributo principale all’errore di misura della corrente è l’offset del convertitore A/D per la misura della corrente. La tecnica più comunemente impiegata è quello di misurare l’offset in un ambiente controllato e quindi sottrarre questo valore di offset da ogni misura. Il “tallone di Achille” di questo metodo è quello di non tenere in considerazione la deriva dell’offset. Nella figura 1 viene riportato il grafico relativo all’offset rimanente quando si adotta questo metodo per un certo numero di pezzi.

Figura 1: andamento tipico dell’offset dopo la calibrazione effettuata utilizzando un metodo di calibrazione dell’offset standard.

Figura 1: andamento tipico dell’offset dopo la calibrazione effettuata utilizzando un metodo di calibrazione dell’offset standard.

Le unità per la gestione della batteria di Atmel adottano un approccio che risulta essere migliore. Il dispositivo ATmega16HVA per esempio utilizza un tecnica che prevede la compensazione dell’offset mediante una variazione periodica della polarità della misura della corrente. Con questo approccio rimane un offset molto piccolo ma di valore fissato. Questo offset rimanente può anche essere rimosso effettuandone la misura prima che vengano aperti i FET di protezione, in modo da fornire un flusso di corrente di valore noto attraverso il pacco di batteria. Come si può osservare dalla figura 2, l’adozione di questo metodo comporta significative migliorie.

Figura 2: andamento dell’offset residuo ottenuto adottando la tecnica di cancellazione dell’offset messa a punto da Atmel.

Figura 2: andamento dell’offset residuo ottenuto adottando la tecnica di cancellazione dell’offset messa a punto da Atmel.

L’errore rimanente provocato dalla deriva dell’offset nelle BMU di Atmel è inferiore al livello di quantizzazione. Il vantaggio dell’eliminazione dell’offset consiste nel fatto che è possibile effettuare misure precise di correnti di baso livello. Nel caso di dispositivi caratterizzati da ampie escursioni dell’offset, è necessario a un certo punto arrestare la misura e iniziare a fare previsioni circa il valore della corrente. Alcune BMU integrano una banda di “ritorno a zero” (snap to zero) o “banda morta” che può arrivare fino a 100 mA in presenza di un resistore di rilevamento da 5 mOhm. Si tratta di un valore di corrente ancora significativo, tenendo conto che un notebook, per esempio, può rimanere per parecchio tempo in una determinata modalità che prevede questo valore di corrente.

MISURA ACCURATA DI CORRENTI DI RIDOTTA ENTITÀ

L’errore di offset dell’ADC per la misura della corrente limita il più piccolo valore di corrente misurabile per una determinata dimensione del resistore di rilevamento. Ciò impone la necessità di trovare un compromesso tra il valore del resistore di rilevamento e la banda morta richiesta laddove il livello di corrente risulti troppo basso per consentire l’accumulo del flusso di carica. Di recente, parecchi produttori stanno cercando di individuare le migliori modalità per ridurre i consumi di corrente e consentire ai dispositivi di rimanere il più possibile in  una modalità a bassa dissipazione. Ciò naturalmente contribuisce ad aumentare l’importanza dell’accuratezza della misura di correnti di ridotta entità.

DERIVA TERMICA DELLA MISURA DI CORRENTE

La misura di una tensione nel campo dei mV è di per se stesso un compito arduo, che si complica ulteriormente nel momento in cui il chip è soggetto a variazioni di temperatura. Anche un notebook che opera prevalentemente in una ambiente interno è sottoposto a sbalzi di temperatura. Ad esempio ciò si verifica durante il bilanciamento della singola cella (cell balancing), dove un FET interno alla batteria dissipa energia proveniente dalla batteria al valore di tensione più elevato, dando luogo a incremento di temperatura significativo a livello di chip. Numerosi parametri che contribuiscono all’offset sono caratterizzati da una deriva termica di notevole entità, influenzando in tal modo l’accuratezza della misura, a meno che non si provveda all’eliminazione di questi effetti. Il metodo per la calibrazione dell’offset messo a punto da Atmel si è dimostrato efficace quando vengono presi in considerazione gli effetti della temperatura. Come si può rilevare osservando la figura 2, gli effetti della temperatura vengono eliminati completamente, in modo da garantire che l’offset non rappresenti un problema per l’accuratezza della misura.

CARATTERISTICHE DEL RIFERIMENTO DI TENSIONE DI BANDGAP

Il riferimento di tensione di tipo bandgap è un componente di fondamentale importanza per ottenere risultati estremamente accurati. Una deviazione del valore di riferimento di tensione effettivo da quello previsto in firmware si tradurrà in un errore di guadagno nel risultato della misura. In parecchi casi si tratta della più importante fonte di errori per le misure della tensione della cella e delle correnti di valore elevato. Un riferimento di tensione di bandgap standard abbina una corrente proporzionale alla temperatura assoluta (PTAT) con una corrente che è complementare alla temperatura assoluta (CTAT) al fine di fornire una corrente relativamente sta bile in funzione della temperatura. Questa corrente viene fatta scorrere attraverso un resistore per fornire una tensione anch’essa relativamente costante in funzione della temperatura. Poiché l’andamento di CTAT è curvo mentre quello di PTAT è lineare, l’andamento della tensione risultante in funzione della temperatura è di tipo curvilineo. I livelli di corrente nel riferimento di bandgap sono caratterizzati da alcune variazioni imputabili ai processi produttivi. Ciò provoca modifiche del valore nominale del riferimento a 25°C, della forma della curvatura e della posizione della sezione più piatta della curva. Di conseguenza è richiesta la calibrazione in fabbrica per minimizzare l’impatto di questa variazione. Un esempio di variazione in un riferimento non calibrato è riportato in figura 3.

Figura 3: andamento del riferimento di tensione di bandgap senza compensazione della curvatura.

Figura 3: andamento del riferimento di tensione di bandgap senza compensazione della curvatura.

La massima variazione nell’intervallo di temperatura compreso tra -20 e +85°C è pari a -0,9 – 0,20% . Come visibile in figura 3, vi sono due curve che evidenziano un andamento nettamente differente (outlier) da quello degli altri dispositivi. I riferimenti di bandgap standard solitamente impiegati nei dispositivi BM sono calibrazioni per la variazione nominale, fornendo un livello di accuratezza molto elevato a 25°C. Comunque, non è prassi comune compensare la variazione della forma e della posizione della curvatura. Ciò dà luogo a una significativa variazione in funzione della temperatura, che comporta imprecisioni nelle misure di corrente e di tensione della cella alle alte e basse temperature. Di conseguenza è impossibile rilevare e selezionare tutti quegli andamenti caratterizzati da forme della curvatura nettamente differenti dalla norma.

UN NUOVO METODO DI CALIBRAZIONE DEL RIFERIMENTO DI TENSIONE

Per ottenere migliori prestazioni in presenza di variazioni di temperatura, Atmel ha aggiunto una fase di calibrazione supplementare del riferimento di tensione nel quale viene regolato il coefficiente di temperatura del riferimento di bandgap. Questa fase di calibrazione permette di regolare la forma e la posizione della curvatura e garantire quindi una stabilità nettamente migliore al variare della temperatura. Come si può osservare dalla figura 4, la massima variazione nell’intervallo tra -20 e +85°C è ora di soli -0.5 – 0,0%.

Figura 4: andamento del riferimento di tensione di bandgap con compensazione della curvatura.

Figura 4: andamento del riferimento di tensione di bandgap con compensazione della curvatura.

Questa seconda fase non solo assicura un’accuratezza nettamente superiore, ma consente anche di rilevare e selezionare tutti quegli andamenti con caratteristiche in temperatura nettamente differenti rispetto a quelli dei dispositivi normali. Di solito la seconda fase di calibrazione non viene eseguita sui dispositivi BM in quanto comporta un incremento dei costi del collaudo in produzione. Questa fase richiede infatti richiede un collaudo analogico accurato dei dispositivi già integrati nel package a due valori di temperatura, mentre la prassi comunemente adottata prevede il test dei dispositivi a un solo valore di temperatura. L’aggiunta di una fase di test che richiede un’elevata accuratezza si traduce di solito in un consistente aumento dei costi. Atmel ha messo a punto un metodo innovativo per l’esecuzione di questo secondo collaudo in grado di minimizzare i costi aggiuntivi. Per l’esecuzione di questa seconda fase di solito vengono richiesti apparati di misura molto accurati ed elaborazioni alquanto complesse. Oltre a ciò, i dati ottenuti dalla prima fase devono essere memorizzati e recuperati separatamente per ogni dispositivo sottoposto a test durante la seconda fase. Il costo del collaudo, quindi, risulta particolarmente elevato. Il metodo brevettato da Atmel permette di minimizzare i requisiti richiesti, in termini di apparecchiature di test, in quanto sfrutta caratteristiche già presenti nella stessa unità BM. I convertitori A/D vengono impiegati per eseguire le misure mediante riferimenti i tensioni esterni caratterizzati da un’elevata precisione, la CPU è utilizzata per l’esecuzione dei calcoli richiesti e la memoria flash per immagazzinare i dati di misura ottenuti nel corso della prima fase. Di conseguenza risulta possibile utilizzare apparecchiature di test più economiche e ottenere comunque risultati molto precisi. Grazie a questo metodo Atmel può garantire prestazioni di assoluto rilievo a fronte di un aumento contenuto del costo del test.

ACCURATEZZA DELLA MISURA DI TENSIONE IN PRESENZA DELLA DERIVA TERMICA

Quando la batteria raggiunge lo stato di scarica o carica completa, la misura di tensione determina il momento in cui è necessario interrompere l’applicazione o arrestare la carica della batteria. I livelli di sicurezza per la tensione massima e minima della cella devono essere garantiti, ragion per cui è necessario prevedere una banda di guardia (guard band) per assicurare la sicurezza di funzionamento in ogni caso. Maggiore è l’accuratezza della misura di tensione garantita, minore sarà la banda di guardia richiesta, con conseguente possibilità di utilizzare una percentuale maggiore della capacità della batteria. Per valori di tensione e temperatura prestabiliti, la misura della tensione può essere calibrata, per cui l’errore della misura di tensione in queste condizioni sarà di lieve entità. Nel momento in cui si tiene in considerazione la deriva termica, il fattore che contribuisce in misura maggiore all’errore di misura è la deriva del riferimento di tensione. La figura 5 riporta l’incertezza misurata quando si usa un riferimento di tensione standard rispetto a quando si fa ricorso a un riferimento di tensione con compensazione della curvatura. Dal grafico è evidente che la compensazione della curvatura assicura un notevole miglioramento del livello di accuratezza.

Figura 5: accuratezza della misura di tensione in funzione della temperatura.

Figura 5: accuratezza della misura di tensione in funzione della temperatura.

CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE

Un’elevata accuratezza della misura è di fondamentale importanza per ottenere la massima energia per ciclo della batteria e la più lunga durata del pacco di batterie senza incorrere in penalizzazioni in termini di sicurezza. Per evitare costi di calibrazione eccessivi, l’accuratezza intrinseca della BMU deve essere la più elevata possibile. Anche il ricorso a tecniche di calibrazione “intelligenti” che sfruttano le risorse presenti a bordo della CPU permette di eseguire una calibrazione accurata, con compensazione degli effetti della temperatura, a costi veramente contenuti. Nella figura 6 viene riportato il ciclo di scarica di una batteria di capacità pari a 10 Ah nel corso di 32 ore. la batteria viene tenuta per 3 ore a 15 A, per 7 ore a 0,6 A e per 22 ore a 60 mA.

Figura 6: risultati relativi all’accuratezza dell’indicatore di carica (gas gauge) basati sull’accuratezz a delle misure di corrente.

Figura 6: risultati relativi all’accuratezza dell’indicatore di carica (gas gauge) basati sull’accuratezz a delle misure di corrente.

La variazione di temperatura è pari a ± 10°C, mentre il resistore di rilevamento ha una resistenza di 5 mOhm. L’errore nell’accumulo di carica che si riscontra utilizzando una BMU calibrata con il modo tradizionale è maggiore di 400 mAh (che nel caso della batteria da 10 Ah considerata in questo esempio corrisponde a oltre il 4%). La soluzione di Atmel assicura un’accuratezza decisamente superiore grazie a un progetto analogico innovativo e all’uso di metodi di calibrazione brevettati. Grazie a queste migliorie, l’errore risultante è inferiore a 20 mAh, corrispondente in questo caso allo 0,2%.

 

 

Una risposta

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 20 marzo 2019

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