Räkna coulomb för att fixa ett hälsosamt litiumbatteri! Information inuti!

”Hur många bärbara datorer behöver man egentligen?”, brukade tekniker och ingenjörer fråga sig. Nu undrar samma personer i stället hur många surfplattor man behöver. Min senaste platta är en trevlig 12-tums Android Marshmallow RCA-platta med löstagbart tangentbord. Under möten ser det ut som om jag använder en normal men tunn bärbar dator när jag skriver viktiga anteckningar, som ”göra marknadsföringen mer lösningsbaserad” eller ”ät mer kyckling”. Ibland håller jag en presentation för mitt team, och då tar jag isär tangentbordet och skärmen för att kunna visa bilderna ordentligt. Självklart lyssnar ingen på vad jag säger (precis som mina föräldrar), utan i stället börjar de ställa nyfikna frågor om min surfplatta.

Så då pratar vi om den i stället, och jag spelar upp delar av science fiction-rullen ”Hotet från ^åttonde dimensionen” innan vi pausar för lunch. Senare, när surfplattans skärm är nedsläckt och jag vidrör strömknappen för att aktivera enheten från viloläget, hoppas jag av hela mitt hjärta att den inte har låst sig i det fenomen som kallas ”Android Sleep of Death” eller SOD (finns det en akronym är det sant!). Men, inga problem. Jag vet hur man fixar det: Nästa dag laddar jag surfplattan till 100 % nivå, låter den ladda ur till 2 % samtidigt som jag spelar upp en film (”Hotet från åttonde dimensionen” igen) för att inte skärmen ska stängas av. Därefter laddar jag upp plattan till 100 % igen, utan avbrott. Det här gör jag två gånger om året, och det gör så att surfplattan blir mer stabil och slutar låsa sig. Frågan är varför det här fungerar.

Jag skrev nyligen en prisbelönt (i min fantasi) artikelserie i tre delar för DigiKey, om att designa bärbar teknik. I del 2, som handlar om att skydda och ladda batterier för optimerad livslängd, undersökte jag litiumjonbatterier och batterimätare. För, till skillnad mot vad många på internet tror, är det så att huvudprocessorn i en surfplatta eller annan bärbar teknik inte har någon kontroll över batteriets laddningsnivå eller skick. Sådant sköts av en separat krets. I de flesta bärbara batteridrivna enheter används litiumjonbatterier, och många av enheterna innehåller Maxim Integrateds batterihanteringskretsar. Batterihanteringskretsen är aktiv även när du tror att din bärbara enhet är avstängd, och den används då för att övervaka litiumjonbatteriets status.

Att mäta laddningsnivån i ett laddningsbart litiumjonbatteri är mer komplicerat än att beräkna den återstående procentuella andelen av den maximala spänningsnivån. Om det återstår 3,1 volt av ett 3,7 volts litiumbatteri, är inte laddningsnivån 84 %, för i många fall betraktas en litiumjoncell som död vid 3,0 volt. Men inte heller 14 % stämmer. Så hur beräknar man egentligen den återstående kapaciteten hos ett litumjonbatteri?

Man använder sig av något som kallas för coulombräkning. En batterihanteringskrets räknar antalet coulomb in till och ut från batteriet. Coulombräknaren håller reda på det totala strömflödet och spänningen in i och ut från batteriet över tid och kan på så sätt beräkna batteriets tillgängliga kapacitet.

Ett förenklat exempel är ett fulladdat batteri som levererar 200 mA i 48 timmar och sedan är helt tömt. Batterikapaciteten är 200 mA x 48 timmar = 9,6 amperetimmar (Ah). I praktiken är coulombräkning mer komplicerat än så, och för att utföra beräkningarna behövs det därför en dedikerad krets med inbyggd logik. Maxim Integrateds MAX17303X+ är en sådan krets. I tillämpningskretsen i figur 1 flyter ström in till och ut från litiumjonbatteriet. Strömmen mäts över det strömavkännande motståndet längst ner.

Figur 1: Batterihanteringskretsen MAX17303X+ från Maxim Integrated kan enkelt anslutas till en microcontroller och bevakar all ström som flyter in till och ut från batteriet (bildkälla: Maxim Integrated).

MAX17303X+ är en programmerbar krets och ansluts till en microcontroller via ett seriellt I²C-gränssnitt. Kretsen har en intern processor för batteriberäkningar samt RAM-minne och ett icke-flyktigt minne. Den bevakar all ström och spänning som lämnar batteriet när det används och som kommer in i batteriet när det laddas. Företaget har förbättrat coulombräkningsfunktionen med en egen, patentskyddad algoritm – ModelGauge m5.

I det icke-flyktiga minnet lagras information om maximal och minimal spänning, ström och batteriets temperatur, plus sammanställd information om batteristatus som måste återställas om batteriströmmen bryts. Det här är viktigt eftersom många litiumjonbatterier innehåller skyddskretsar som förhindrar djupurladdning genom att inaktivera batteriet vid mycket låga spänningar, till dess att det laddas.

Viktigt för många kunder är att MAX17303X+ håller reda på batteristatusen för batterimätaren. Batteriets laddningsstatus (SOC) vid en godtycklig tidpunkt beräknas som den procentuella andelen av batteriets tillgängliga kapacitet i Ah (amperetimmar) vid tidpunkten i fråga, i förhållande till batteriets maximala uppmätta kapacitet. Batteriets hälsostatus (SOH) är det maximala antalet tillgängliga amperetimmar i förhållande till batteriets maximala kapacitet i nyskick.

Fel är dock oundvikliga, oavsett hur smart batterihanteringskretsen är. Därför måste batterimätaren kalibreras. Kalibrering innebär att ladda ur batteriet från 100 % till nästan 0 %. På så sätt ”lär sig” MAX17303X+ batteriets urladdningsbeteende. Batteriet laddas sedan upp till 100 %, så att kretsen lär sig batteriets laddningskapacitet. Därmed har batterimätaren kalibrerats.

Jag kalibrerade batteriet i min RCA-platta genom att ladda ur batteriet till 2 procents nivå, medan jag åter spelade upp ”Hotet från åttonde dimensionen” för att förhindra skärmavstängning och ”sleep of death”. Sedan laddade jag batteriet fullt och stängde av surfplattan i fem minuter. Det ger batterihanteringskretsen tid att läsa av det fulladdade batteriets spänning vid minimal belastning. Efter den proceduren slutade surfplattan krascha. Dessutom blev den mer alert och svarade snabbare på mina touchkommandon.

Hur är det möjligt?

Varför slutade plattan krascha för att jag kalibrerade batterimätaren? Min teori är så här: När jag väcker plattan från viloläget genom att trycka på strömknappen, läser värd-microcontrollern av batteriets status i batterihanteringskretsen. Värd-microcontrollerns fasta programvara hittar då oväntad data (dvs. som det saknas kod för), vilket orsakar låsning av plattan eftersom den fasta programvaran saknar en undantagshanterare för oväntad data. Något liknande kanske händer när surfplattan är i aktivt läge och regelbundet läser av batterihanteringskretsens data.

Varför kalibrerar man då inte batteriet mycket oftare? Jo, eftersom djupurladdning orsakar permanenta skador på litiumjonbatterier, vilket innebär att det räcker med två till tre djupurladdningar per år. Det här gäller alla apparater som innehåller laddningsbara litiumjonbatterier, inklusive bärbar teknik och IoT-produkter (Internet of Things).

Men att kalibrera batteriet kan göra litiumjonsystemet stabilare. Det krävs om vi vill ha en väl fungerande batterimätare, och är ett absolut måste om vi någonsin ska kunna nå den ^åttonde dimensionen.