بیژن بینایی GitHub
بیژن بینایی Rss

محکوم به نوشتن

نوشته شده توسط بیژن | در دسته روزنامه | نوشته شده در ۱۵-۰۷-۱۳۹۶

۰

batteryپیشنویس: این یکی هم داره مثل خیلی پست های نیمه تموم دیگه داشت می رفت تو زباله دونی پست های local منتشر نشده دیگه. کم کم زدم تو خط کوانتوم. تو خط زندگی رویایی انیشتین، داستان های بور با استادش رادرفورد و بازی گوشی های پلانک توی دل black body. کم کم نزدیک بود فراموش کنم که چه زجر ها کشیدم سره فهمیدن اصطلاحات و مفاهیم مدار شارژ Li-Ion ها. اما اینبار چون یک ماه زمان خالص رو همین تک موضوع سوزونده شده بود محکوم شدم به نوشتن که قبل اینکه این یکی هم از حافظه ۲ bitایم کاملا پاک بشه قبلش، یه جای امن ذخیرشون کنم. مطلب فوق ماحصل تلاش کوچک من هست رو باتری ها و نحوه شارژ کردنشون. امیدوارم لذت ببرید

■ سیر تا پیاز Li-Ionها

باتری باتری باتری.... لپتاپا باتری دارن گوشی ها باتری دارن تبلتا باتری دارن و بنابراین سادست که خیلی ها تصمیم می گیرن خب چرا سیستم ما باتری نداشته باشه؟ این از اون فرضیاته که می گن بویینگ هواپیما می سازه پس چرا ما نتونیم....

این پست اختصاص داره به صفر تا صد طراحی یه محصول بر پایه باتری. تو این پست یه مروری می کنیم بر ملزماتی که باید رعایت بشه و IC هایی که باید گذاشته بشه و نکاتی که باید رعایت بشه تا باتریتون بدون پوکیدن تو صورتتون، با حداکثر ظرفیت و حداکثر سرعت، شارژ و دشارژ بشه. توجه کنید که تمرکز ما توی این پست فقط رو باتری های لیتیوم یون هست که چراش رو در بخش بعد روش یه بحث کوچیکی می کنیم.

■ چرا لیتیوم یون

اینجا خیلی نمی خوام باتری های مختلف رو با هم مقایسه کنم چرا که یه مقایسه جامع و خوب رو می تونید اینجا ببینید. در مقابل فقط به این می پردازیم که ‍Li-ion ها چه مزایا و چه معایبی دارند. از مزایای Li-Ion می شه به ویژگی MemmoryLess بودن این موجودات اشاره کرد. یعنی چی؟ یعنی نیازی نیست باتری تا ته ته خالی بشه و تا ته ته شارژ بشه. چیزی که از خیلی قدیم پدران ما به عنوان یه اصل، برای باتری های نیکل کادمیم کرده بودن تو مغزمون. این خاصیت که با نام حافظه دار بودن باتری شناخته می شه یعنی باتری بر حسب تعداد شارژ و دشارژ شدن خراب می شه نه توانی که می گیره و می ده! بخاطر همین می گن برای اینکه از حداکثر ظرفیتت استفاده کنید بزارید تا ته خالی خالی و تا ته ته شارژ بشن (البته یه دلیل دیگه هم داره که حسش نیس توضیح بدم). در مقابل باتری های ‍Li-Ion همونطور که گفتم ‍memory-less هستند و بنابراین تعداد شارژ و دشارژ هیچ اهمیتی نداره در مقابل هرچه depth of discharge(DoD) توشون کمتر باشه عمرشون بیشتر می شه. دقیق ترشو می تونین تو battery university بخونین.

این ویژگی خیلی مهمه چرا که خیلی وقتا شما فرصت شارژ کامل رو ندارین. یا مثلا موبایلتون رو می خواید وصل کنید به یه PC و همین اتصال منجر به شروع فرایند شارژ می شه. خلاصه خوبه دیگه قبول کنید! دلیل دیگه استفاده از لیتیوم-یون چگالی بسیار کمش (در رنج قیمتی معقول) هست. همین عامل باعث شده در سیستم هایی که سبک بودن بسیار مهمه، مثل لپتاپ و گوشی، استفاده از Li-Ion به یک de facto تبدیل بشه. به هر حال بحث اینجای من روی چرایی لیتیوم یون نیست. دوست داشتین می تونین تو نت بیشتر در اینباره بخونید.

■ سری یا مواری، مسیله این است.

بعد از مشخص شدن جنس باتری، مرحله بعدی انتخاب ولتاژ و جریان و ظرفیت باتری هست. انتخاب ظرفیت معمولا سادست اما انتخاب ولتاژ و جریان می تونه کمی چالشی باشه. ولتاژ باتری های Li-Ion همونطور که می دونید تقریبا ثابته و حول و هوش 3.7 ولت ایناس البته این برا باتری های کوبالتی هست. Li-Ion ها مشتقات زیادی دارند که بعضی ها 3.8v بعضی ها 3.6v و بعضی ها حتی 3V ای هستند. به هر حال اونچه تو بازار و اکثر محصولات پرتابل امروزی به کار می ره همین 3.7v ای ها یا حول و هوش همین عدد با 100mv اختلاف هست. نکته اولی که باید در طراحی باتری ها در نظر بگیرید اینه که

If you can run your system based on single cell battery, then you should

چرا؟ چون شارژ باتری multi cell نیاز به balancing داره، ماسفتاش باید ولتاژ بیشتری رو support کنن و خلاصه راه اندازیش سخت تره. پس به عنوان یه قانون کلی اگر می تونید سیستمتون رو بر پایه باتری های تک سل طراحی کنید بهترین کار همینه. علاوه بر اون مدار شارژ تک سل بسیار کوچک تر از مدار multicell هست و به همین دلیل هم تقریبا هیچ گوشی و تبلتی رو که مسیله size رو داره نمی بینید که باتریشون multicell باشه.

حالا سوالی که بوجود می یاد اینه که پس کی مجبور به استفاده از باتری های چند سلولی می شیم؟ زمانی که ولتاژ بیشتر می خواید؟ نه! زمانی که جریان بیشتر می خواید! از من نصیحت که برای ولتاژ بیشتر هم، استفاده از یه boost خیلی ساده تر از افزایش تعداد cell هاست. اما در جریان بالا، چند سلولی شدن باتری به شدت پییشنهاد می شه. به دو دلیل

۱. جریان بالا = افت ولتاژ بیشتر سره مقاومت داخلی باتری = افت ولتاژ دو سر باتری و کاهاش ظرفیت.

۲. جریان بالا = سلف های بزرگ تر = افزایش وزن، اندازه و قیمت المان ها و برد

اما یه سوال دیگه باقی می مونه، سلول ها رو بهتره موازی کنیم یا سری؟ موازی کردن عملا همون افزایش ظرفیت هست. سری کردن هم همون multicell کردن هست که در ادامه بیشتر توضیح داده می شود

انتخاب جریان مناسب

باتری های Li-Ion در پکیج های مختلفی ارایه می شن. یکی از اون‌ها که ما بیشتر دیدیم (توی گوشی ها، تبلت ها و ...) با نام Pouch Cell در صنعت شناخته می شه. Pouch Cell ها که معمولا باطری های تخت، نازک و خوش ظرفیتی هستن چیزی نیستن جز تعداد زیادی باتری های Li-Ion موازی. اگه روزی قسمتتون شد و دل و روده یکی از این دوستان رو کشیدین بیرون، خواهید دید که pouch cell ها دقیقا عین یه کتاب ۲۰ ۳۰ صفحه ای می مونن که ورق هاش، Li-Ion هستن. حالا که چی؟

این آزمایش بالا می گه اگه یه باتری دارید که ظرفیت زیادی داره -> یعنی تعداد cell های موازی زیادی توش هست -> یعنی می تونه جریان بیشتری بده. در حالت کلی جریان safe برای شارژ و دشارژ باتری های high cap لیتیومی، برابر 1C هست. یعنی مثلا یه باتری 4000mAH می تونه بدون وارد شدن صدمه بهش ۴ آمپر ماکزیمم بده.

نکته ای که اینجا هست اینه که این جریان ماکزیمم باتری به باتری متفاوته اما خیالتون راحت که کمتر از ‍1C نمی شه پس مثلا اگه یه سیستم دارید که peak پاورش، ۱ آمپره راحت یه باتری 1000mAH ای برای کارتون جوابه. حالا فرض کنید که سیستمتون peak توانی که می کشه 45W هست. اگه شما باتری تک سل بزاری یعنی باتریتون طبق ضرب و تقسیم ساده زیر

 3.7V \times 6A = 22W

باید ۶ آمپر جریان بده. حالا فرضا هم اگر شما یه باتری تونستین با ظرفیت 6A پیدا کنید مدار شارژی پیدا نخواهید کرد که ۶ آمپر بهتون جریان بده. و حتی اگه مدار شارژ هم پیدا کنید ماسفتی پیدا نخواهید کرد که بتونه power path رو براتون پیاده سازی کنه. چرا؟ p-mos ها R_DS_On اشون در بهترین حالت ها ۶۰ ۷۰ میلی اهمه. توی مسیر باتریتون هم حداقل دو تا pmos یکی برا fuel gauge و یکی برای power path خواهید داشت یعنی حداقل ۱۴۰ میلی اهم. حالا ۶ آمپر اگه از ۱۴۰ میلی اهم رد شه چی می شه؟؟ می شه 0.8 ولت افت ولتاژ سره چند دو ماسفت. که معادل می شه با ۲۲ درصد افت در ولتاژ دوسر باتری! فاجعس

حالا اگه باتری ۳ سل بگذارید جریانتون می شه

 3.7V \times 3 \times 2A = 22W

۲ آمپر. که با همون ماسفتا می شه ۲۵۰ میلی ولت افت ولتاژ تو ۱۱.۷ ولت که فقط می شه ۲ درصد افت نسبت به ولتاژ دو سر. دقت کنید که یه سیستم واقعی فقط ماسفت نداره! مقاومت داخلی باتری، مقاومت ترک ها، کابل باتری و .... همه و همه مقاومت هایی دارند که توی 6A جریان حتی شوخی باهاشون هم زشته.

پس بچه خوبی باشید و اگه توانتون بیش از 10W هست استفاده از تک سل به ریسکش نمی ارزه! هر چند که طراحی شماتیک رو ساده می کنه.

■ نحوه شارژ

بعد انتخاب تعداد سل ها و ظرفیت نوبت طراحی مدار شارژ و دشارژ می رسه. شارژ باتری ها لیتیوم یون سادست. وصلشون می کنین به یه منبع تغذیه با ولتاژ ۴.۲ ولت و شارژ می شن. برای دشارژ هم می کنیدشون و می زنیدشون به load. خب خیلی ساده. فقط سه تا نکته باید رعایت شه.

۱. باتری های لیتیوم یون نباید بیشتر از یه عددی مثلا ۴.۲ ولت شارژ شن!

۲. از یه عددی هم مثلا ۳ ولت نباید ولتاژشون کمتر بشه.

۳. در هیچ زمانی جریان شارژ یا دشارژ باتری از یه حدی نباید بیشتر بشه مثلا 1C.

این سه عدد همه تو datasheet باتری اومده، اما اگر احیانا باتریتون دیتاشیت نداره عدد هایی که در بالا گفته شد safe ترین حالت موجودن. یعنی حداقل ۳ ولت و حداکثر ۴.۲ ولت extreme ترین شرطی هست که می شه برا ولتاژ گذاشت و جریان 1C هم حداقل جریانی هست که یه باتری High-Capacity می تونه بدون آسیب رسوندن به pack به بار تحویل بده.

■ پروفایل شارژ

مسیله بعدی، اندازه گیری شارژ باتری یا State of Charge(SoC) هست. باتری های لیتیوم یون همونطور که در شکل زیر می بینید SoC ایشون به صورت غیر خطی وابسته هست با ولتاژ دو سر باتری. علاوه بر این، SoC به سرعت شارژ و دشارژ باتری هم وابسته هست و دقیقا به همین دلیل نمی شه با یه تقسیم مقاومتی و یه ADC، میزان شارژ داخل باتری رو با دقت بالایی تخمین زد.

profile

روش های زیادی در طول سال های اخیر برای حل این مشکل ارایه شده اند که مورد بحث ما نیست اما solution ساده برای این مشکل استفاده از IC هایی هست به نام battery fuel gauage. این تراشه ها کارشون این هست که با اندازه گیری جریان شارژ یا دشارژ باتری و ترکیبش با ولتاژ لحظه ای باتری، SoC رو به شما اطلاع می دن

■ مدار شارژ

خب بعد کلی مقدمه شر و ور می رسیم به بخشی که دوز دارم. این مدار BQ24171 هست از تگزاس که RC Settable هست. یعنی می تونید ولتاژ شارژ و جریان شارژ و جریان pre شارژو خلاصه هر پارامتری رو که در شارژ دخیل هست رو با خازن و مقاومت بهش بفهمونید. بنابراین خازن مقاومتایی که می بینین خیلی چیز خاصی نیستن بجز یه سری خازن decoupling و یه سری تقسیم مقاومتی. تمرکز من اینجا رو اون ۳ تا ماسفت قشنگه ی زیر هست که نمی بینید. خب مدار ریز هست. اگه چشمتون مثل من ۱۰ از ۱۰ نیست می تونید یکم زوم کنید و ادامه بدین.

خب اول با Q3 شروع می کنیم که درکش ساده تره. داستان اینه که یه چیزی داریم ما تو شارژر به نام power path. این power path یه اسم من در آوردی تگزاس هست برای تکنولوژیشون. حالا چیه این power path. ببینید شما یه آداپتور ۲۲۰ مثلا به ۱۲ ولت دارید خب؟ خب! اینو وقتی می زنید به سیستمتون اتفاقی که می یفته این مدار شارژ بالا یا بصورت دقیق تر تکنولوژی power path می یاد و با استفاده از ماسفت Q3 باتری رو از سیستمتون جدا می کنه و با ماسفتای Q1 و Q2 آداپتور رو مستقیم وصل می کنه به سیستمتون. در نتیجه تو طول شارژ باتری فقط شارژ می شه و جریان سیستم از طریق آداپتور تامین می شه.

نکته طراحی اینکه رگولاتور buck بعد باطری حتما باید جوری طراحی بشه که مثلا از ۹ ولت تا ۱۵ ولت (ولتاژ آداپتور) رو بتونه به عنوان ورودی بگیره (چون باطری در طول دشارژ ولتاژش کم می شد و در حین شارژ هم ولتاژی بیشتر از ولتاژ نامی باطری توسط آداپتور و power path مدار شارژ به سیستم داده می شه.

Q1 و Q2 هم دو ماسفت پشت به پشت هستن! چرا؟ فعلا حسش نیس به زودی می نویسم (خیلی تنبل شدم تازگی ها)

 

■ نکات تکمیلی

  • خیلی جاها، مخصوصا تو مدارهای شارژ ممکنه عباراتی مثل 2S4P ببینید. منظورشون اینه ساختار باتری سیستمشون تشکیل شده از سری کردن ۲ تا پک لیتیوم یون که هر پکشون از ۴ سل موازی تشکیل شده.
  • تراشه های Fuel Gauge شرکت Texas Instrument خیلی داکیومنتیشن خوبی دارن ولی برای راه اندازیشون حتما باید ماژول EV2300 رو داشته باشید.