怎樣從技術(shù)上延長鋰電池壽命？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-01-15 19:34
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測量解決方案
這個(gè)例子探索了第一代電子恒溫器，它是基于MCU的，但是需要額外的外部集成電路來測量溫度，以及外部振蕩器和電池監(jiān)視器來喚醒MCU。此外，恒溫器需要昂貴的手動(dòng)校準(zhǔn)。以上第一代解決方案需要電流大于20a，電池壽命只有2-3年，IC總成本超過2美元。需要重新設(shè)計(jì)以延長電池壽命和降低成本。
對于本文研究的電子恒溫器，有效占空比極低，因?yàn)樗蟛糠謺r(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)維護(hù)的自動(dòng)伴流功能執(zhí)行日常事務(wù)。與設(shè)定值電位器不同，恒溫器的溫度每隔幾秒鐘測量一次。根據(jù)溫度比較和選擇的運(yùn)行方式，系統(tǒng)開啟或關(guān)閉冷熱功能，當(dāng)溫度在預(yù)期范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行任何操作。恒溫器重新設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是將待機(jī)電流降到最低。為此，我們選擇了超低功耗的單片機(jī)，并運(yùn)行了功耗智能軟件。
單斜率轉(zhuǎn)換在一個(gè)固定的點(diǎn)上對電容器進(jìn)行充電，并通過集成在MCU中的比較器測量已知的參考電阻來測量放電時(shí)間。系統(tǒng)為未知電阻重復(fù)這個(gè)循環(huán)。集成的定時(shí)器自動(dòng)捕獲放電時(shí)間，節(jié)省電力，允許關(guān)閉CPU在放電周期測量。單斜率技術(shù)遵循比例原理，消除了電荷電壓、電荷電容和與阻容放電相關(guān)的復(fù)指數(shù)方程。測量時(shí)間與放電電阻成正比，其精度與傳感器的參考電阻相同，因此省去了昂貴的校準(zhǔn)程序。
觸發(fā)低壓加熱/冷卻繼電器所需的電流是10ms的100mA電流脈沖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，繼電器每小時(shí)可能需要觸發(fā)16次。因此，繼電器的有效占空比為0.0044%，約等于系統(tǒng)電流4.4a。
從電池的角度來看，我們關(guān)心的是觸發(fā)繼電器所需的100mA電流。第一代電子恒溫器的電池最初是CR2032紐扣鋰電池。該電池的額定容量為200mAh，其固有的超低漏電率每年不到1%，放電曲線非常平坦，這兩種特性都是延長電池壽命的理想選擇。CR2032的問題在于，它的阻抗很高，大約為20，因此它阻止電池為觸發(fā)冷卻和加熱系統(tǒng)所需的繼電器提供100毫安的電流。雖然所需的100mA脈沖電流只能維持10ms，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過紐扣電池的功率。設(shè)計(jì)者曾考慮過使用大容量電容器(出于成本考慮，電解電容器是唯一的選擇)，但因其高漏電而放棄。
更換電池的MCU應(yīng)用程序是一個(gè)麻煩，因?yàn)殡娫丛肼暜a(chǎn)生的機(jī)械接觸電池線。“欠壓”情況經(jīng)常發(fā)生在電池更換過程中，電源電壓沒有完全復(fù)位，導(dǎo)致隨機(jī)故障操作。額外的復(fù)位電流或電源電壓監(jiān)視器(SVS)可以提供欠壓保護(hù)，要求MCU在電壓低于安全工作范圍時(shí)進(jìn)行完全復(fù)位。SVS保護(hù)需要電力，成本和板空間。選擇超低功耗MCU作為替代方案，可以實(shí)現(xiàn)電壓復(fù)位(BOR)保護(hù)下的零功耗。
超低功耗的MCU為電子恒溫器提供了系統(tǒng)內(nèi)可編程(ISP)閃存和嵌入式仿真邏輯。這些功能通過使用測試和復(fù)位/NMI引腳在應(yīng)用程序中執(zhí)行MCU的正常調(diào)試。這允許快速開發(fā)以及靈活的定制和緊急代碼更改。我們可以在生產(chǎn)過程中對閃存中的單片機(jī)代碼進(jìn)行編程，這樣可以減少復(fù)雜的應(yīng)用程序編程，從而降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。如有必要，可在生產(chǎn)過程中對設(shè)備進(jìn)行電子校準(zhǔn)并存儲在閃存中。由于flash是isp風(fēng)格的，作為未來的一個(gè)功能，MCU也可以在正常運(yùn)行時(shí)記錄數(shù)據(jù)。
使用最小的功耗來實(shí)現(xiàn)絕對的長電池壽命是許多深度嵌入式應(yīng)用程序的共同設(shè)計(jì)要求。一個(gè)基于微控制器(MCU)的電池電子恒溫器，以及每個(gè)微安(A)的電流都經(jīng)過了精心設(shè)計(jì)
