Вождение двигателей на аккумуляторе

Многие системы с батарейным питанием и приложения Интернета вещей (IoT), такие как интеллектуальные счетчики, интеллектуальные санитарные продукты, видеодомофоны, роботизированные игрушки, средства личной гигиены и электронные замки, содержат двигатель, соленоид или реле. Взаимодействие между аккумулятором и физикой двигателя порождает некоторые интересные задачи проектирования, такие как надежная работа системы при изменении напряжения батареи, минимизация мощности в режиме ожидания для увеличения срока службы системы и подача больших токов на двигатель во время запуска и остановки.

В этой статье я предложу несколько советов, которые помогут преодолеть эти проблемы проектирования.

Диапазон напряжения батареи, доступный водителю двигателя, зависит от химического состава батареи, глубины разряда, температуры, тока нагрузки и количества ячеек батареи, соединенных последовательно или параллельно. Хотя моделирование батареи — сложная наука, давайте начнем с простой модели батареи, используя напряжение холостого хода (VOCV), внутреннее сопротивление батареи (RBAT) и напряжение на клеммах батареи (VBAT), как показано на рисунке 1.

В таблице 1 приведены некоторые примеры диапазонов напряжения аккумуляторов для аккумуляторов различных химических свойств.

1,7 В/ячейка

Всего 3,4 В

0,8 В/ячейка

Всего 1,6 В

100–250 мОм/ячейка

Всего 200–500 мОм

1,55 В/ячейка

Всего 4,65 В

0,8 В/ячейка

Всего 2,4 В

135 мОм/ячейка (в среднем)

Всего 405 мОм (среднее)

1,5 В/ячейка

6 В/ячейка

0,8 В/ячейку

3,2 В всего

150–300 мОм/ячейка (свежая)

Всего 600–1200 мОм (свежие)

4,2 В/ячейка

Всего 8,4 В

2,75 В/ячейка

Всего 5,5 В

160 мОм/ячейка

320 мОм всего

RBAT и VOCV являются ключевыми факторами изменения VBAT в течение срока службы батареи. По мере того, как заряд батареи разряжается, VOCV уменьшается, а RBAT увеличивается. Когда нагрузка потребляет ток от аккумулятора (IBAT), VBAT уменьшается из-за падения напряжения на RBAT.

На рисунке 2 показана взаимосвязь между VOCV, RBAT и IBAT в течение срока службы батареи.

Глубина разряда (DoD) представляет собой срок службы батареи в процентах по отношению к полной зарядной емкости батареи, выраженной в миллиампер-часах (мАч). 100% DoD означает полностью разряженную батарею.

Поскольку VBAT меняется в зависимости от DoD и IBAT, номинал шины питания драйвера двигателя должен соответствовать диапазону возможных напряжений батареи. Например, многие драйверы двигателей, предназначенные для систем с напряжением 24 В, имеют минимальное напряжение питания 4,5 В. При четырех щелочных батареях, соединенных последовательно, драйвер двигателя с минимальным номинальным напряжением питания 4,5 В может отключиться с помощью блокировки пониженного напряжения до того, как батареи полностью разрядятся. осушать.

DRV8210 и DRV8212 от Texas Instruments (TI) являются примерами драйверов двигателей, предназначенных для приложений с батарейным питанием, с номинальным напряжением питания от 1,65 В до 11 В. Это соответствует максимальному напряжению для двухэлементной литиевой батареи (8,4 В) или почти разряженная двухэлементная щелочная батарея (1,65 В).

Системы с батарейным питанием проводят большую часть своего срока службы в режиме ожидания. Например, потребители могут управлять жалюзи с электроприводом только два раза в день или запирать и отпирать электронный замок до 20 раз в день. Клапан на счетчике газа или воды может срабатывать только один раз в год. Ток режима ожидания всей системы должен быть низким, чтобы обеспечить длительный срок службы батарей в этих системах.

Добавление переключателей нагрузки на шины питания периферийных устройств в системе — один из способов снизить ток в режиме ожидания. Другой способ — использовать устройства с низкими токами в режиме ожидания, оптимизированные для работы с батареями. DRV8210 и DRV8212 имеют ток сна <84,5 нА, что помогает снизить потребление тока системой в режиме ожидания. Другие способы снизить ток в режиме ожидания системы — отказаться от резисторных делителей и установить на логических выводах устройства понижающие резисторы напряжение 0 В, когда они не работают.

Большие токи двигателей создают две проблемы в аккумуляторных системах: они непроизводительно используют энергию и могут привести к преждевременному переходу системы в состояние блокировки при низком заряде батареи из-за падения напряжения на RBAT. Существуют две основные причины больших токов двигателя: пусковой ток во время запуска двигателя и ток опрокидывания. На рисунке 3 показан пример этих токов.