Contare i Coulomb per conoscere la salute delle batterie al litio. Tutti i dettagli nell'articolo!

Una volta gli ingegneri si chiedevano: quanti laptop sono sufficienti? Oggi invece la domanda è: quanti tablet ci servono? La mia ultima creatura è un tablet RCA da 12 pollici, convertibile, con Android Marshmallow e tastiera staccabile. Durante le riunioni è praticamente un laptop sottile su cui prendo appunti e promemoria, scrivendo ad esempio "parla con il marketing per cambiare il branding" oppure "bevi meno caffè". A volte tengo una presentazione per tutto il team, quindi separo il display dalla tastiera e spiego le immagini. Come al solito, nessuno ascolta quello che dico (come fanno i miei genitori) ma spesso molti mi chiedono: "Cos'è quello?". Non si riferiscono alle mie persuasive slide di PowerPoint, ma vogliono sapere del tablet.

Quindi finiamo per parlare del tablet e, prima di andare in pausa pranzo, faccio vedere un pezzo di "Star Trek Beyond”. Quando torno, lo schermo del tablet è nero. Tocco brevemente il pulsante di accensione per riattivarlo, trattengo il respiro e spero che non si sia bloccato. Lo chiamano Android Sleep of Death e, per confermarne l'esistenza, c'è anche l'acronimo: SOD. Nessun problema. So come fare. Il giorno successivo carico il tablet al 100%, poi lo lascio scaricare fino al 2% con lo schermo acceso mentre guardo un film ("Star Trek"), e infine lo ricarico fino al 100% senza interruzioni. Lo faccio due volte l'anno. In questo modo il tablet non si blocca più e rimane più stabile. La domanda è: perché?

Recentemente ho scritto per Digi-Key una serie di tre articoli molto interessanti (secondo me) che parlavano della progettazione di dispositivi indossabili. Nella parte 2, "Proteggere e ricaricare le batterie per garantirne la durata", ho esaminato le batterie agli ioni di litio e gli indicatori del livello di carica. A differenza di quanto possano pensare molti frequentatori di Internet, il processore principale di un tablet o di un dispositivo indossabile non tiene traccia del livello e dello stato della batteria. Se ne occupa un chip separato. La maggior parte dei dispositivi portatili alimentati a batteria utilizza batterie agli ioni di litio e molti integrano chip di gestione della batteria di Maxim Integrated. Anche quando pensate che il vostro dispositivo portatile sia spento, il chip di gestione della batteria è attivo e monitora costantemente lo stato della batteria agli ioni di litio.

Misurare il livello di una batteria agli ioni di litio ricaricabile non significa solo leggere la percentuale della tensione massima. Se una batteria al litio da 3,7 V è a 3,1 V, non è all'84%, perché in molti casi una cella agli ioni di litio si considera scarica quando è a 3,0 V. Però non è corretto neanche dire che la percentuale di carica è del 14%. Quindi come si può conoscere la capacità disponibile di una batteria agli ioni di litio?

Si chiama conteggio di Coulomb. Un chip di gestione della batteria in pratica conta i coulomb che entrano ed escono dalla batteria. O meglio, il conteggio di Coulomb tiene traccia del flusso della corrente e della tensione totale in ingresso e in uscita nel tempo da una batteria agli ioni di litio per stabilirne la capacità disponibile.

Un esempio semplicistico: se una batteria totalmente carica fornisse 200 mA per 48 ore prima di scaricarsi, la capacità della batteria sarebbe 200 mA x 48 ore = 9,6 Ah. In realtà, il conteggio di Coulomb è più complesso e per questo necessita di un chip dedicato con l'intelligenza necessaria per eseguire calcoli matematici, come il chip MAX17303X+ di Maxim Integrated. Nel circuito dell'applicazione riportato nella figura 1, il flusso di corrente in ingresso e in uscita dalla batteria agli ioni di litio viene misurato sul resistore di rilevamento nella parte inferiore.

Figura 1: Il chip MAX17303X+ di Maxim Integrated per la gestione delle batterie agli ioni di litio si interfaccia semplicemente con un microcontroller e tiene traccia di tutta la corrente in ingresso e in uscita dalla batteria. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

MAX17303X+ è programmabile e comunica con un microcontroller tramite interfaccia seriale I²C. Ha un processore interno per i calcoli della batteria, memoria non volatile e RAM. Tiene traccia di tutta la corrente e la tensione in uscita dalla batteria mentre questa si scarica e in entrata durante la carica. L'azienda migliora il conteggio di Coulomb con ModelGauge m5, un algoritmo proprietario per indicare il livello della batteria.

La memoria non volatile mantiene la tensione, la corrente e la temperatura massime e minime della batteria oltre alle informazioni raccolte sullo stato della batteria che devono essere conservate in caso di perdita di alimentazione. Questo è importante, perché molte batterie agli ioni di litio contengono circuiti di protezione che impediscono che la batteria si scarichi completamente, disattivandola alle bassissime tensioni, fino a quando viene ricaricata.

L'aspetto principale per i consumatori è che MAX17303X+ tiene traccia in modo preciso dello stato della batteria per l'indicatore del livello di carica. Lo stato di carica viene calcolato come percentuale della capacità disponibile della batteria in Ah rispetto alla capacità massima misurata. Lo stato di salute è rappresentato dal valore Ah massimo disponibile della batteria rispetto alla sua capacità massima da nuova.

Nonostante ciò e indipendentemente dalla precisione del chip di gestione della batteria, gli errori sono inevitabili, perciò è necessario calibrare l'indicatore del livello della batteria per garantirne la precisione. Calibrare significa lasciar scaricare la batteria quasi completamente, a partire dal 100%. In questo modo, MAX17303X+ può avere un quadro accurato del comportamento di scarica. La batteria viene quindi ricaricata fino al 100% in modo che il chip ne conosca la capacità di carica. Solo a questo punto l'indicatore del livello della batteria è calibrato.

Detto ciò, ho preso il mio tablet RCA e ho calibrato la batteria, guardando di nuovo Star Trek per tenere acceso lo schermo fino a raggiungere il 2% di carica, evitando il SOD. Ho caricato la batteria fino al 100% e ho spento il tablet per cinque minuti. In questo modo, il chip di gestione della batteria ha avuto il tempo di leggere la tensione della batteria completamente carica con un carico minimo. Dopo questa operazione, il tablet non si è più bloccato. Non solo, era anche più reattivo e più sensibile al tatto.

Perché?

Come mai calibrare l'indicatore del livello della batteria impedisce al tablet di bloccarsi? La mia teoria è che, premendo il pulsante per riattivare il dispositivo dallo stato di sospensione, il microcontroller host legga lo stato della batteria dal chip di gestione della batteria in uso. Secondo me, il firmware del microcontroller host legge dati non previsti (cioè per cui non è stato programmato) e purtroppo non ha un gestore delle eccezioni, quindi il tablet si blocca. Qualcosa di simile avviene quando il tablet è attivo e monitora periodicamente i dati del chip di gestione della batteria.

Ci si potrebbe chiedere: perché allora non calibrare sempre la batteria? Perché le batterie agli ioni di litio si danneggiano in modo permanente se scaricate profondamente, quindi calibrarle due o tre volte l'anno è più che sufficiente. Questo vale per qualsiasi dispositivo funzioni con una batteria ricaricabile agli ioni di litio, ad esempio dispositivi indossabili o endpoint per l'Internet delle cose (IoT).

In sintesi, calibrare la batteria può migliorare la stabilità di un sistema agli ioni di litio. È sicuramente necessario per garantire la precisione dell'indicatore del livello di carica ed è di vitale importanza se vogliamo arrivare là dove nessun uomo è mai giunto prima .