Продление срока жизни батареи в измерительных устройствах



Батареи на основе тионилхлорида лития (LiSOCI2) популярны в интеллектуальных измерительных устройствах, поскольку они обеспечивают более высокую плотность энергии и лучшее соотношение цены и мощности по сравнению с такими химическими элементами батарей как диоксид лития-марганца (LiMnO2). Одним из недостатков аккумуляторов LiSOCI2 является плохая реакция на пиковые нагрузки, что может привести к снижению полезной емкости аккумулятора. В этой статье будет рассмотрен эффективный метод отделения пиковых нагрузок от батареи в диапазоне нескольких сотен миллиампер, который может помочь увеличить срок службы батареи.

Максимальное увеличение полезной емкости батареи очень важно, поскольку это позволяет конструкции системы поддерживать:

— Больше снятий показаний и сессий передачи данных от одной и той же батареи.

— Более длительный срок службы батареи.

— Аккумулятор меньшего размера при том же сроке службы.

Следовательно, сводятся к минимуму затраты на батарею и техническое обслуживание, а также затраты на разработку, позволяя повторно использовать одну и ту же конструкцию измерителя для различных реализаций.

Примером измерителя для данной статьи будет служить расходомер воды, к которому предъявляются следующие требования: успешная конструкция, обеспечивающая длительный срок эксплуатации (более 15 лет), обеспечение таких функций, как управление клапаном, запись и передача данных. Увеличение срока службы батареи является эффективным способом увеличения времени работы измерителя. Однако, если вы подключаете батарею к нагрузке напрямую без промежуточного буфера мощности, сложный профиль нагрузки измерителя может ухудшить характеристики срока службы батареи [1].

Основываясь на потреблении тока, можно разделить профиль потребления нагрузки стандартного счетчика на режим ожидания, режим средней ступени и активный режим. Каждый режим по-разному влияет на срок службы батареи:

— В режиме ожидания потребление составляет от 5 до 100 мкА. В основном это ток покоя (IQ) микроконтроллера и схемы защиты. Хотя абсолютное значение очень мало, оно обычно является основным фактором, влияющим на срок службы измерителя. В режиме ожидания IQ любого подключенного DC/DC преобразователя должен быть в диапазоне наноампер, а утечка любого буфера мощности должна быть небольшой для повышения эффективности.

— В режиме средней ступени потребляется от 2 мА до 10 мА. Аналоговый интерфейс в момент принятия сигнала (RX) обычно вносит свой вклад в эту нагрузку. Эффективность буфера мощности важна для минимизации потерь энергии в этом режиме.

— Активный режим потребляет наибольший ток. В активном режиме нагрузка обычно исходит от управляющей лампы и аналогового входного каскада в каскаде передачи сигнала (TX), для которого требуется от 20 мА до нескольких сотен миллиампер. Непосредственное потребление этого тока от батареи LiSOCI2 приводит к серьезному снижению номинальной емкости.

В таблице 1 показано снижение номинальных характеристик аккумулятора Soft LS33600 по сравнению с номинальной емкостью 1,7 А·ч при различных нагрузках и температурных условиях. При рабочей температуре +20°C ток нагрузки 200 мА приводит к снижению емкости на 42 %. Поэтому батарея никогда не должна питать нагрузку напрямую. Только при использовании буфера мощности с малой утечкой можно ограничить пиковый ток до уровня менее 10 мА.

Таблица 1

Зависимость емкости от значения тока нагрузки для LS33600

Емкость (А*ч)	-40°C	-20°C	+20°C
10 мА	-41,2 %	-17,6 %	Нет снижения
100 мА	-82,35 %	-58,8 %	-23,5 %
200 мА	-	-	-42,0 %

Понижающе-повышающий преобразователь (IQ = 60 нА) TPS61094 помогает продлить срок службы батареи, сохраняя при этом превосходную эффективность в режимах ожидания, промежуточной ступени и активном режиме [2].

Использование TPS61094 имеет три основных преимущества:

— Высокий КПД в широком диапазоне нагрузок. TPS61094 имеет средний КПД >90 % для нагрузок от 5 мкА до 250 мА при условиях VOUT = 3,3 В и VIN > 1,5 В. Это обеспечивает эффективное питание в большинстве случаев использования расходомеров.

— Ограничивает пиковый ток , потребляемый от батареи. TPS61094 может ограничивать свой пиковый входной ток, когда он работает в режиме Buck_on при зарядке суперконденсатора, а также в дополнительном режиме, когда он питает большую нагрузку на VOUT от батареи. На рис. 1 показано типовое подключение TPS61094, После сброса нагрузки устройство заряжает суперконденсатор постоянным током 10 мА. Когда напряжение суперконденсатора возвращается к 2,0 В, устройство перестает заряжаться, но все еще остается в режиме Buck_on.

Рис. 1. Подключение преобразователя TPS61094

— Неизменная энергия суперконденсатора во всем диапазоне температур. Как правило, использование конденсаторов с гибридным слоем (HLC) или конденсаторов с двойным электрическим слоем (EDLC) в качестве буферов мощности улучшает возможности импульсной нагрузки. Однако энергия, хранящаяся в этих пассивных компонентах, зависит от напряжения батареи. Когда температура снижается, напряжение батареи также падает, что ухудшает способность HLC или EDLC к импульсной нагрузке и увеличивает ток питания батареи. TPS61094 устраняет эту проблему, поддерживая стабильное напряжение на суперконденсаторе независимо от температуры.

Полезная энергия в суперконденсаторе определяется емкостью, установленным максимальным напряжением на суперконденсаторе и блокировкой минимального напряжения TPS61094. Чем больше полезной энергии имеет суперконденсатор, тем дольше время работы при постоянной большой нагрузке.

На рис. 2 показано решение с буфером мощности, использующее TPS61094 или только суперконденсаторы соответственно. Для решения TPS61094 напряжение суперконденсатора установлено равным 2 В. При непрерывной подаче нагрузки TPS61094 может потреблять мощность от суперконденсатора до 0,6 В. Таким образом, можно рассчитать доступную энергию суперконденсатора с помощью уравнения 1: где — средний КПД преобразователя [3].

Рис. 2. Подключение TPS61094 и HLC/EDLCs решений

(1)

(2)

(3)

В наихудшем случае при -40°C TPS61094 имеет средний КПД 92 % при 150 мА и входном напряжении от 2 В до 0,6 В. Уравнение 2 показывает расчетный результат:

Для решений HLC или EDLC доступная энергия изменяется в зависимости от напряжения батареи. Для тока 10 мА при -40°C напряжение LS33600 снижается до 3 В. В уравнении 3 вычисляется доступная энергию:

Сравнивая результаты между уравнениями 2 и 3, решение TPS61094 имеет вдвое больше доступной энергии, чем решения HLC и EDLC. Это означает, что к нагрузкам может подаваться больше энергии, и снижается пиковый ток, потребляемый аккумулятором в экстремальных условиях. Например, если для управления клапаном используется нагрузка 200 мА при напряжении 3,3 В, решение HLC или EDLC может поддерживать нагрузку только в течение 2,8с. Понижающе-повышающий преобразователь TPS61094 со встроенным суперконденсатором может поддерживать нагрузку до 7,8с при условии, что буфер питания обеспечивает всю нагрузку.

Сложный профиль нагрузки-потребления расходомеров требует буфера мощности, чтобы продлить срок службы LiSOCI2 батарей. Для широкого диапазона условий эксплуатации преобразователь TPS61094 является хорошим выбором для с продления срока службы батареи. Ограничивая пиковый ток, потребляемый от батареи, максимизируется ее емкость и увеличивается доступная энергия суперконденсатора, позволяя системе работать дольше в условиях низких температур, чем решения HLC и EDLC.

Литература:

1. Hussein Yektaii, Patrick Pratt. Quality of secondary power supplies // Practical Electronics Magazine. 2020. No. 2–3. P.13–16.
2. Wenhao Wu and Alex Pakosta. Benefits of using a low-Iq buck/boost converter // Journal of Electronics maker. 2021. No. 9–10. P.54–55.
3. Frank Kearney. Ionistors and their application in microelectronics// Consumer Electronics. 2021. No. 12. P.20–22.