Normalmente ci accorgiamo che qualcosa non va, solamente quanto avvertiamo del disagio. Nel caso dei cellulari o altri dispositivi ci rendiamo conto che la durata della batteria si accorcia con il tempo o meglio cicli di carica, e dopo un anno si è soliti ricaricare il sistema due volte al giorno piuttosto che una volta ogni due.
La cosa si aggrava qualora l´indicatore di livello indica che la batteria è quasi scarica ma improvvisamente il monitor si oscura e il sistema si spegne bruscamente.  

In un mondo che diventa sempre più portabile e incentrato in sistemi a batterie, conoscere in maniera accurata la carica rimanente ma anche la carica raggiunta è importante al fine di limitare disagi. In sistemi a batteria come gli elettromedicali presenti in un’ambulanza, avere un buon controllo della carica potrebbe evitare brutte sorprese.

Normalmente si pensa alla necessità di controllare la sola scarica della batteria, ma in realtà poter ottimizzare al massimo la carica è altrettanto importante. Infatti riuscire a capire quanta energia è presente nella batteria permette di ottimizzare sia uno spegnimento controllato (non improvviso) del sistema ed anche permettere di caricare la batteria fino al suo limite massimo. Se infatti la batteria fosse carica al 95% della carica totale e il sistema dovesse pensare che la batteria è carica, si perderebbe il 5% di carica semplicemente per non averla caricata a sufficienza. Allo stesso modo nel caso di scarica, pensare che la batteria abbia ancora il 3% di carica mentre in realtà ha meno dell’1%, potrebbe causare uno spegnimento brusco del sistema e la perdita di dati. Alternativamente pensare che la batteria abbia il 3% di carica e richieda di uno spegnimento controllato, mentre in realtà ha ancora il 6% di carica, causerebbe una richiesta di spegnimento del sistema prima del dovuto, che in un certo qual modo sarebbe come un accorciamento della vita della batteria.   

Al fine di comprendere la carica Q presente all'interno di una batteria sono state sviluppate diverse tecniche. La più semplice si basa sulla misura della tensione della batteria stessa (Voltage Tracking) e conoscendo la tipologia e caratteristiche tecniche della batteria è possibile predire la carica restante.
Implementare tale algoritmo è piuttosto semplice ma la semplicità ha il problema di un elevato errore sul calcolo della carica rimanente. In particolare il numero di cicli di carica a cui è stata sottoposta la batteria influenzano molto l'accuratezza del calcolo. L'età della batteria, la temperatura e i processi di auto scarica sono altri elementi che influenzano l'errore di calcolo. Algoritmi di questo tipo funzionano normalmente bene quando la batteria è nuova ma perdono accuratezza con il tempo.

Un miglioramento a tale tecnica è il cosiddetto Coulomb Counting, ovvero la misura della carica utilizzata in fase di ricarica e quella richiesta dal sistema, ovvero durante la fase di scarica.  Tale tecnica consiste nell'integrare nel tempo la corrente di carica e di scarica. Il principio è basato sull'idea che conoscendo quello che entrato e quello che è uscito è possibile sapere l’energia rimanente. Sebbene questa prima spiegazione non crei obiezioni logiche, in realtà non tiene conto del fatto che l'impedenza interna alla batteria aumenta con il tempo per cui l'energia che viene dissipata internamente durante il processo di scarica, cambia con il tempo ed in particolare aumenta. Per cui caricando la batteria al 100%  quando la batteria è nuova, magari solo l'1% viene dissipato internamente, ma all'aumentare dell'impedenza interna, dovuta ai cicli di carica e l'età, si potrebbero raggiungere un'energia dissipata internamente del 5% ( i valori dati sono solo a scopo di esempio).

In questo contesto la Texas Instruments ha brevettato una nuova tecnica nota come Impedance Track®, integrata nella famiglia di Fuel Gauge. Questa tecnica permette di misurare l'impedenza interna della batteria e compensare dunque gli errori derivanti dalla sua variazione. Integrati come il bq27421-G1 possiedono al loro interno un minicontrollore ed un Coulomb Counter, come riportato in Figura 1.

Figura 1: Schema a blocchi e uso dell'integrato bq27421 (fonte Texas Instruments).

I dispositivi Fuel Guage sono ottimizzati per diverse tecnologie di batteria. Tra le più usate vi sono Li-Ion, Piombo, NiCd (Nichel Cadmio), ma laddove sia richiesta una minore accuratezza sono disponibili anche versioni indipendenti dalla chimica della batteria.

Dispositivi più complessi sono disponibili, tra gli oltre 70 dispositivi della famiglia bq Fuel Gauge. In particolare si ricorda il bq27520 che permette di monitorare anche la temperatura della batteria, sfruttando il sensore NTC, spesso disponibile nelle batterie Li-Ion. In Figura 2 è mostrato un dettaglio del sistema basato su sul dispositivo bq27520. Si osservi che il microcontrollore principale può leggere i parametri della batteria via I2C.   
 

Figura 2: Schema di utilizzo dell´integrato bq27520 (fonte Texas Instruments).

In particolare il bq27520 fornisce le seguenti informazioni, oltre ad altre più specifiche :

• Livello di carica della batteria.
• Temperatura della batteria.
• Indicazione della salute della batteria.

Il Fuel Gauge bq27520 possiede al suo interno anche della memoria flash nella quale possono essere scritti dei parametri della batteria al fine di ottimizzare l'accuratezza raggiungibile dal sistema nella stima dei vari parametri.

In generale i Fuel Gauge possono essere integrati direttamente nella batteria (Battery Side), sia essa removibile o meno. Questa soluzione, sebbene possa aumentare il costo di sistema, qualora siano necessarie più batterie durante il ciclo di vita del sistema, permette una maggior accuratezza nella stima dell'energia rimanente. Per abbassare i costi si può montare il Fuel Gauge anche sul PCB principale (System Side) ma il tutto dipende dalle specifiche di sistema e ottimizzazioni che si vogliono raggiungere.

Nel caso dei Battery Pack dei PC portatili, guardando il numero di terminali della batteria, si capisce che spesso il Fuel Gauge è integrato nella batteria stessa. In molti cellulari dove solo tre terminali sono disponibili nella batteria, +, - e T (Sensore di temperatura NTC) il Fuel Gauge, se presente è sul cellulare stesso.  

Autore: Mauro Laurenti

Bibliografia

• Datasheet bq27520
• Datasheet bq27421
• Single Cell Gauging (Video Corso)
• Impedance Track Based Fuel Gauging