تكنولوجيا البطاريات للأجهزة الإلكترونية المحمولة

مقدمة

اليوم، تتضمن تقنية البطاريات في الأجهزة الإلكترونية المحمولة جوانب مختلفة مثل خوارزميات اكتشاف الطاقة وخوارزميات شحن البطارية وتقنيات شحن البطارية. تأتي البطاريات القابلة لإعادة الشحن بأنواع عديدة، بما في ذلك بطاريات النيكل والكادميوم وبطاريات هيدريد النيكل والفلز وبطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الليثيوم بوليمر. وفي حين أن كل نوع من هذه البطاريات له خصائصه الخاصة، فقد أصبحت بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الليثيوم بوليمر الخيار الأمثل للأجهزة الصغيرة طويلة الأمد مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة ومشغلات الوسائط المحمولة القائمة على القرص الصلب (مديري المشروعات المعتمدين) نظرًا لكثافة الطاقة وميزات السلامة الخاصة بها. بالنسبة للمهندسين الذين يعملون مع الإلكترونيات المحمولة، من الأهمية بمكان اختيار تقنية البطاريات وتطبيقها بشكل صحيح، وستناقش هذه المقالة هذه الجوانب وتحللها بأمثلة عملية.

1. خوارزميات شحن البطارية: الشحن البطيء والسريع والشحن بجهد ثابت

اعتمادًا على متطلبات الطاقة للتطبيق النهائي، قد تحتوي حزمة البطارية على ما يصل إلى أربع خلايا ليثيوم أيون أو ليثيوم بوليمر، مهيأة بطرق مختلفة، ومدعومة بمحول أساسي: محول مباشر، أو واجهة USB، أو شاحن سيارة. وعلى الرغم من الاختلافات في عدد الخلايا، أو تكوينها، أو نوع محول الطاقة، فإن حزم البطاريات هذه تشترك في نفس خصائص الشحن، وبالتالي، فإن خوارزميات الشحن متشابهة. يمكن تقسيم خوارزمية الشحن المثالية لبطاريات ليثيوم أيون وليثيوم بوليمر إلى ثلاث مراحل: الشحن البطيء، والشحن السريع، والشحن بجهد ثابت.

الشحن البطيء: يستخدم للخلايا التي تم تفريغها بشكل عميق. عندما ينخفض ​​جهد الخلية إلى أقل من 2.8 فولت تقريبًا، يتم تطبيق تيار ثابت بقوة 0.1 سي لشحن الخلية.

الشحن السريع: بمجرد أن يتجاوز جهد الخلية عتبة الشحن البطيء، يتم زيادة تيار الشحن للشحن السريع. يجب أن يكون تيار الشحن السريع أقل من 1.0C.

الشحن بجهد ثابت: أثناء الشحن السريع، بمجرد وصول جهد الخلية إلى 4.2 فولت، تبدأ مرحلة الجهد الثابت. يتوقف الشحن عندما ينخفض ​​تيار الشحن الأدنى إلى أقل من حوالي 0.07 درجة مئوية، أو عندما يقوم مؤقت بتشغيل الانقطاع.

عادةً ما تأتي شواحن البطاريات المتقدمة مع ميزات أمان إضافية. على سبيل المثال، إذا تجاوزت درجة حرارة البطارية النطاق المحدد (عادةً من 0 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية)، فستتوقف عملية الشحن مؤقتًا. تدمج حلول شحن بطاريات الليثيوم أيون والليثيوم بوليمر الحديثة أو تتضمن مكونات خارجية لمتابعة خصائص الشحن هذه، مما يضمن كفاءة وأمانًا أفضل.

2. حلول شحن بطاريات الليثيوم أيون/البوليمر

يختلف حل شحن بطاريات الليثيوم أيون/البوليمر حسب عدد الخلايا وتكوينها ونوع مصدر الطاقة. هناك ثلاثة حلول شحن رئيسية: خطية، وتبديل باك (تخفيض) وتبديل سيبيك (رفع وتخفيض).

2.1 الحل الخطي

عندما يكون جهد الدخل أعلى قليلاً من جهد الدائرة المفتوحة لخلية مشحونة بالكامل، يكون الحل الخطي هو الخيار الأفضل. وهذا فعال بشكل خاص عندما لا يكون تيار الشحن السريع 1.0C أكبر كثيرًا من 1A. على سبيل المثال، يستخدم مشغل ام بي 3 عادةً خلية واحدة بسعة تتراوح من 700 إلى 1500 مللي أمبير في الساعة وجهد دائرة مفتوحة يبلغ 4.2 فولت. تستخدم هذه الأجهزة عادةً محول تيار متردد/تيار مستمر أو واجهة USB بمخرج منظم يبلغ 5 فولت. في مثل هذه الحالات، يكون الشاحن الخطي هو الحل الأكثر كفاءة ومباشرة.

مثال للتطبيق: شاحن MAX8677A ثنائي المدخلات لي+: MAX8677A هو شاحن خطي بمحول USB/التيار المتردد ثنائي المدخلات مع محدد طاقة ذكي مدمج، ومناسب للأجهزة المحمولة التي تعمل ببطارية لي+ أحادية الخلية. يقوم الشاحن بالتبديل بين مدخلات الطاقة ويشحن البطارية بشكل مثالي. كما يتضمن الحد من التيار، والتنظيم الحراري، والحماية من الجهد الزائد، والمزيد، مما يضمن شحنًا آمنًا وفعالًا للأجهزة مثل الهواتف الذكية وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي والكاميرات وأجهزة نظام تحديد المواقع العالمي (جي بي اس).

2.2 حل التبديل التدريجي

في الحالات التي يتجاوز فيها تيار الشحن 1.0C 1A أو عندما يكون جهد الدخل أعلى بكثير من جهد الدائرة المفتوحة للبطارية، فإن حل باك (تخفيض الجهد) هو الخيار الأفضل. على سبيل المثال، ستستفيد مشغلات الوسائط المحمولة ذات خلية ليثيوم أيون واحدة ونطاق جهد دخل واسع (9 فولت إلى 16 فولت) من هذا الحل، لأنه أكثر كفاءة من الشحن الخطي عندما يكون هناك فرق كبير في الجهد بين جهد الدخل وجهد البطارية.

2.3 حل التبديل سيبيك (الرفع والخفض)

بالنسبة للأجهزة التي تحتوي على ثلاث خلايا أو أكثر من أيونات الليثيوم/البوليمر متصلة على التوالي، حيث لا يكون جهد الدخل أعلى دائمًا من جهد البطارية، فإن حل سيبيك هو الحل الأمثل. على سبيل المثال، تستخدم أجهزة الكمبيوتر المحمولة عادةً حزمة بطارية أيونات الليثيوم ثلاثية الخلايا بجهد دائرة مفتوحة مشحون بالكامل يبلغ 12.6 فولت. يمكن لمحول سيبيك التعامل مع كلا السيناريوهين: عندما يكون جهد الخرج أعلى أو أقل من جهد البطارية.

3. خوارزمية اكتشاف الطاقة

تعتمد العديد من المنتجات المحمولة على قياس الجهد لتقدير سعة البطارية المتبقية، ولكن دقة هذه الطريقة قد تتأثر بشكل كبير بمعدل التفريغ ودرجة الحرارة وعمر البطارية. لتحقيق تقدير أكثر دقة لسعة البطارية، تُستخدم عدادات الطاقة لقياس الشحنة المضافة أو المستهلكة بواسطة البطارية، مما يوفر تقديرات أكثر دقة عبر مجموعة واسعة من مستويات طاقة التطبيق.

3.1 مثال لتطبيق خوارزمية اكتشاف الطاقة: تصميم حزمة بطارية كاملة للتطبيق المحمول للبطارية المفردة/المزدوجة

يجب أن يقيس مقياس الطاقة الجيد للكشف عن البطارية على الأقل جهد البطارية ودرجة حرارتها والتيار. يعد المعالج الدقيق ومجموعة من خوارزميات الكشف عن الطاقة التي تم اختبارها جيدًا أمرًا ضروريًا. على سبيل المثال، يأتي مقياسا الطاقة bq2650x وbq27x00 مزودين بمحولات تناظرية إلى رقمية لقياس الجهد ودرجة الحرارة والتيار، ودمج خوارزميات الكشف عن الطاقة من تي اي للتعويض عن التفريغ الذاتي والشيخوخة ودرجة الحرارة ومعدل التفريغ. توفر هذه العدادات معلومات عن سعة البطارية المتبقية، وتوفر سلسلة bq27x00 حتى وقت التشغيل المقدر حتى نفاد البطارية.

3.2 مثال على تطبيق خوارزمية اكتشاف الطاقة: دائرة متكاملة جديدة لأجهزة قياس الطاقة للأغراض العامة

تقدم العديد من الشركات المصنعة مجموعة واسعة من دوائر قياس الطاقة المتكاملة، مما يسمح للمستخدمين باختيار الجهاز الأكثر ملاءمة لتحسين فعالية المنتج من حيث التكلفة. على سبيل المثال، تعد دائرة DS2762 من دالاس أشباه الموصلات دائرة متكاملة منخفضة التكلفة وعالية التكامل لقياس الطاقة مناسبة للهواتف المحمولة وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي والأجهزة المحمولة الأخرى المماثلة. وهي تجمع بين اكتشاف الطاقة والحماية من الجهد الزائد والجهد المنخفض والتيار الزائد. كما توفر دائرة DS2762 مسار شحن استرداد يحد من التيار عندما ينخفض ​​جهد البطارية إلى أقل من 3 فولت، مما يوفر إدارة فعالة للطاقة.

4. الخاتمة

يعد استخدام تقنية البطاريات بشكل صحيح في الأجهزة الإلكترونية المحمولة أمرًا بالغ الأهمية لاختيار بطاريات الليثيوم أيون أو الليثيوم بوليمر وشواحنها. يجب أن يتم الاختيار بناءً على المتطلبات المحددة للجهاز الإلكتروني المحمول.