Une des principales problématiques pour tous les appareils alimentés par batterie est de connaître l’autonomie restante de l’appareil afin de pouvoir anticiper sa recharge ou bien le remplacement de la batterie. La battery fuel gauge est le composant responsable de déterminer le niveau d’énergie restant dans la batterie.
Aujourd’hui nous vous présentons l’architecture générale d’un tel système, les différents algorithmes qui permettent de déterminer la capacité restante d’une batterie ainsi qu’une liste de composants susceptibles de nous intéresser.
Battery Fuel Gauge
La figure ci-dessous présente le diagramme-bloc d’un système générique de battery fuel-gauging. Il est constitué d’au minimum :
- deux ADC : le premier est dédié à la mesure du courant de la batterie, tandis que le second est multiplexé et peut servir à mesurer la tension de la batterie ou la température ambiante.
- un microcontrôleur : implémente un ou plusieurs algorithmes de battery fuel-gauging pour traiter les données mesurées telles que la tension et le courant de la batterie ainsi que la température ambiante. En effet, le microcontrôleur contient dans sa mémoire des informations spécifiques à la batterie telles que son impédance ou sa capacité fonction de son voltage.
- un régulateur de tension : alimente le microcontrôleur et les différents ADCs / circuits additionnels.
- un port de communication : le système communique avec l’extérieur au travers des différents protocoles standards tel que l’I²C.
Calculer la capacité restante de la batterie
Voltage-based technique
La méthode la plus simple permettant d’estimer la capacité restante de la batterie est de mesurer sa tension pour en déduire sa capacité d’après sa courbe de décharge :
Coulomb counting technique
Le principe de cette technique consiste à intégrer la charge entrante et sortante de la batterie afin d’obtenir une estimation précise de la capacité restante. Cette technique fonctionne très bien si le niveau initial de charge de la batterie est connu.
Le problème principal de cette technique est qu’il ne tient pas compte de l’auto-décharge de la batterie : puisque le courant d’auto-décharge est interne à celle-ci, il n’est pas mesurable puisqu’il ne passe pas par le circuit externe. Ainsi, l’erreur de calcul de la capacité restante augmente au cours du temps, car il est difficile de modéliser l’auto-décharge de la batterie qui dépend de son courant de décharge, de sa température d’utilisation et de son âge.
Autres techniques
Afin de résoudre les problèmes des techniques précédemment évoqués, il peut être pertinent d’utiliser à la fois la tension, le courant et la température de la batterie afin de déterminer sa capacité :
- la mesure de la tension est effectuée quand la batterie n’est pas soumise à une charge
- la mesure du courant est effectuée quand la batterie reçoit ou délivre de l’énergie
De cette manière, la tension de la batterie est utilisée pour mettre à jour son état de charge actuel d’après la courbe d’évolution de sa tension fonction de sa capacité restante. Ensuite, lorsqu’une charge lui est appliquée, la méthode du compteur de Coulomb est utilisée pour mesurer l’énergie entrante et sortante du système.
En utilisant les deux mesures de tension et celle des charges, la capacité maximale de la batterie peut être estimé. La résistance interne de la batterie peut, elle aussi, être calculé en utilisant le courant mesuré, et les deux tensions de batterie avec et sans charge. Ainsi, avec la capacité maximale de la batterie et sa résistance interne, une valeur précise de la capacité restante peut être obtenue.
Quelques Circuit Intégrés intéressants
Voici une liste non exhaustive de composant Battery Fuel Gauge :
STC3115AIQT
Caractéristiques principales :
- Batteries Li-Io
- Coulomb counter
- Capteurs : mesures de courant, tension et température
- Interruption : alarme batterie faible
- Encombrement : 5,8 mm² (CSP-12) | 8 mm² (DFN-10)
- Consommation : mixed mode 100µA, power saving mode 45µA, standby mode 2µA
- Prix : ++
- Documentation : driver, datasheet
Description des modes d’énergie :
- Mixed mode : le Coulomb counter est actif, le courant est mesuré toutes les 4s. La tension et la température sont mesurées toutes les 16s.
- Power-saving mode : le Coulomb counter n’est pas utilisé, il n’y a pas de mesure de courant. La mesure de tension est faite toutes les 4s et celle de température toutes les 16s.
- Standby mode : toutes les fonctions sont désactivées.
MAX17040
Caractéristiques principales :
- Batteries Li-Ion 1 à 2 cellules
- Capteur : mesure de tension
- Consommation : active mode 50µA, sleep mode 1µA
- Encombrement : 4,56 mm² (UCSP-9) / 8 mm² (TDFN-8)
- Prix : +
- Documentation : driver, datasheet
Description des modes d’énergie :
- Sleep mode : toutes les opérations sont arrêtées, l’IC entre dans ce mode lorsqu’un état LOW est appliqué à SDA et SCL pendant au moins 2,5s.
- Active mode : fonctionnement normal.
BQ35100
Caractéristiques principales :
- Batteries lithium primaire, utilisable avec batteries alcalines
- Capteurs : mesures de tension, courant et température
- Coulomb counter
- Activation par GPIO
- Interruption : alarme configurable
- Consommation : accumulator mode 130µA, state-of-health mode 40µA, end-of-service mode 315µA puis 75µA, disabled mode 0,05µA
- Consommation recommandée : accumulator mode (update/30min) 0,3µA, SoH mode (update/8h) 0,06µA, EoS (update/8h) 0,35µA
- Encombrement : 29.5 mm² (TSSOP-14)
- Prix : +++
- Documentation : pas de driver (communication, I²C), datasheet
Description des modes d’énergie :
- Accumulator mode : mesure de la tension, de la température, et du courant de charge de la batterie toutes les 1s.
- State-of-Health mode : adapté aux batteries Li-MnO2. La tension de la batterie et sa température sont mesurées et utilisées pour déterminer l’état de santé de la batterie.
- End-of-Service mode : adapté aux batteries Li-SOCl2, mesure la tension, le courant et la température pour déterminer la résistance et le changement de résistance de la batterie afin d’obtenir la Depth of Discharge (DoD) et la condition de fin de service.
- Disabled-mode : toutes les fonctions sont arrêtées.
Conclusion
La batterie gauge permet :
- d’estimer précisément la durée de fonctionnement restante du système
- de lever une interruption HW lorsque le niveau de charge ou la tension de la batterie passent sous des seuils prédéfinis
Cependant elle ajoute des coûts :
- ajout d’un nouveau capteur et des composants externes associés à son fonctionnement, induisant un coût sur la taille du PCB et des composants eux-même
- développement logiciel supplémentaire, conception d’un driver lorsqu’il n’est pas fourni par le fabricant
- augmentation la consommation du système
Enfin le choix du circuit intégré dépend de la batterie utilisée et ne permet pas une inter-compatibilité du système avec une batterie lithium primaire et une rechargeable (par exemple).
Bibliographie
EEWorld Online: https://www.eeworldonline.com/?s=battery+fuel+gauge
STMicroelectronics: https://blog.st.com/stc3117-battery-fuel-gauge-optimgauge/
Texas Instrument: https://www.ti.com/lit/an/slua367/slua367.pdf
Maxim Integrated: https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6416.html
