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分享从技术上延长锂电池寿命

发布时间:2013-06-17 09:05:46  来源:聚合物电池




 

测量解决方案
 
本例将探讨第一代电子自动调温器 其基于 MCU,但是需要配备用于温度测量的附加外部集成电路,以及用于唤醒 MCU 的外部振荡器和电池监控器。另外,这种自动调温器需要昂贵的人工校准。上述第一代解决方案需要超过 20 A 的电流,电池使用寿命只能达到 2~3 年,IC 总成本超过 2 美元。为了延长电池寿命并降低成本,需要进行重新设计。
对于本文研究的电子自动调温器而言,有效占空比极低,因为其大部分时间处于待机模式,由系统维持的自动唤醒功能执行常规事务。与设定点电位计不同,每几秒钟就要对自动调温器的温度测量一次。系统根据温度对比以及所选择的操作模式打开或关闭冷却或加热功能,而如果温度处于预期范围之内,则不做任何动作。自动调温器重新设计工作的首要目标是尽可能降低待机电流。为此,选用了一种超低功耗 MCU,同时运行“智能电源”(power-wise) 软件。
 
单斜率转换按照固定点为电容器充电,并通过已知参考电阻(由 MCU 内部集成的比较器测量该电阻)来测量放电时间。系统对未知电阻重复上述周期。集成的定时器可以自动采集放电时间,由于允许在放电周期测量过程中关闭 CPU,这种自动采集可以节省功率。上述单斜率技术遵循比率原则,其可以消除与阻容放电相关的充电电压、充电电容以及复杂的指数方程。测量时间与放电电阻成正比,准确度与传感器的参考电阻相同,因而可以消除昂贵的校准程序。
 
触发低压加热/冷却继电器所需的电流为 10ms 的 100mA 电流脉冲。根据统计,继电器可能需要每小时触发16次。因此,继电器的有效占空比为 0.0044%,其等于大约4.4A 的系统电流。
 
从电池角度来看,我们关心的是触发继电器所需要的 100mA 电流。第一代电子自动调温器最初选用的电池是CR2032 纽扣式锂电池。由于每年低于1%的内在超低漏电以及极其平坦的放电曲线(这两种特性是延长电池使用寿命的理想选择),因此这种电池的额定容量为 200mAh。CR2032 的问题是阻抗较高,约为 20 ,因此它妨碍了电池为触发冷却及加热系统所需继电器提供 100mA 电流。尽管所需要的 100mA 脉冲电流仅持续 10ms,但是仍然远远超出了纽扣电池的能力。设计人员曾经考虑采用大容量电容器(由于成本原因只能采用电解电容),但是由于这种电容漏电较高,最后还是放弃了。

为基于MCU的应用更换电池比较麻烦,因为电池导线的机械接触会产生电源噪声。在电池更换过程中经常产生“欠压”情况,在这种情况下电源电压未完全复位,从而造成随机错误操作。利用附加的复位电流或电源电压监控器(SVS)可以提供欠压保护,只要电压低于安全操作范围,它们就会要求 MCU 执行完全的复位。SVS 保护需要付出功率、成本与板级空间代价。作为一种变通解决方案,所选择的超低功耗 MCU 可以集成零功耗欠压复位 (BOR) 保护功能。

用于上述电子自动调温器的超低功耗 MCU 可提供系统内可编程 (ISP) 闪存与嵌入式仿真逻辑。这些功能通过采用 TEST 和 RESET/NMI 引脚在应用中对 MCU 执行普通的调试。这样就能够实现快速开发以及灵活的程序定制和紧急代码更改了。我们可以对闪存中的 MCU 代码在生产过程中进行应用编程,由于消除了繁杂的应用外编程,因此可以在降低成本的同时提高产品质量。如有需要,可以在生产过程中采用电子方式执行设备校准,然后保存在闪存中。由于闪存是ISP 式,作为一种未来的功能,MCU 还可以在正常的操作过程中记录数据。

 

利用最低功耗实现绝对长的电池寿命是许多深度嵌入式应用的共同设计要求。一种基于微控制器 (MCU) 的小区电子自动调温器,并对电流的每一微安( A)都经过了细致而周密的调查研究。最终得到的产品不但超过了技术设计要求,而且成本比上一代产品低 50%。重新设计的电子自动调温器利用安装的电池可以工作 8 年以上。本文侧重讲述功耗来源、如何为应用选择正确的电池以及如何避免项目末期经常出现的隐患。
基于MCU的电子自动调温器必须提供:
长达 8 年的电池使用寿命;
 
与机械解决方案相比具备更佳竞
 
争性的最低成本;
 
旨在实现产品快速上市的应用开
 
发 (In-application development);
 
精度达 1℉的温度测量;
 
40~90℉设定点电位计;
 
低电量检测;
 
与电池更换相关的供电欠压保护。

文章链接:http://jfc-battery.com/show-10-157-1.html
文章标签:延长锂电池寿命
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