Moteurs d'entraînement dans la batterie

De nombreux systèmes alimentés par batterie et applications Internet des objets (IoT), tels que les compteurs intelligents, les produits d'assainissement intelligents, les sonnettes vidéo, les jouets robotiques, les produits d'hygiène personnelle et les serrures électroniques, contiennent un moteur, un solénoïde ou un relais. L'interaction entre la batterie et la physique du moteur crée des défis de conception intéressants, tels que le fonctionnement fiable du système lorsque la tension de la batterie change, la minimisation de l'alimentation en veille pour augmenter la durée de vie du système et la fourniture de courants importants au moteur pendant le démarrage et le calage.

Dans cet article, je vais vous proposer quelques conseils pour vous aider à surmonter ces défis de conception.

La plage de tension de batterie disponible pour le pilote de moteur dépend de la chimie de la batterie, de la profondeur de décharge, de la température, du courant de charge et du nombre de cellules de batterie connectées en série ou en parallèle. Bien que la modélisation de la batterie soit une science complexe, commençons par un modèle de batterie simple utilisant la tension en circuit ouvert (VOCV), la résistance interne de la batterie (RBAT) et la tension aux bornes de la batterie (VBAT), comme illustré à la figure 1.

Le tableau 1 montre quelques exemples de plages de tension de batterie pour différentes chimies de batterie.

1,7 V/cellule

3,4 V au total

0,8 V/cellule

1,6 V total

100-250 mΩ/cellule

200-500 mΩ au total

1,55 V/cellule

4,65 V au total

0,8 V/cellule

2,4 V au total

135 mΩ/cellule (moyenne)

405 mΩ au total (moyenne)

1,5 V/cellule

6 V/cellule

0,8 V/cellule

3,2 V au total

150-300 mΩ/cellule (frais)

600-1200 mΩ total (frais)

4,2 V/cellule

8,4 V au total

2,75 V/cellule

5,5 V au total

160 mΩ/élément

320 mΩ au total

RBAT et VOCV sont des contributeurs clés à l'évolution de VBAT au cours de la durée de vie de la batterie. Au fur et à mesure que la charge de la batterie s'épuise, le VOCV diminue et le RBAT augmente. Lorsque la charge tire du courant de la batterie (IBAT), VBAT diminue en raison de la chute de tension aux bornes de RBAT.

La figure 2 montre la relation entre VOCV, RBAT et IBAT tout au long de la durée de vie de la batterie.

La profondeur de décharge (DoD) représente la durée de vie de la batterie en pourcentage par rapport à la capacité de charge totale de la batterie donnée en milliampères heures (mAh). Un DoD à 100% représente une batterie complètement déchargée.

Étant donné que VBAT change avec DoD et IBAT, la puissance nominale du rail d'alimentation d'un pilote de moteur doit s'adapter à une plage de tensions de batterie possibles. Par exemple, de nombreux pilotes de moteur conçus pour les systèmes 24 V ont un rail d'alimentation minimum de 4,5 V. Avec quatre piles alcalines connectées en série, un pilote de moteur avec une alimentation nominale de 4,5 V minimum peut se désactiver en utilisant le verrouillage de sous-tension avant que les batteries ne soient complètement fermées. drain.

Les DRV8210 et DRV8212 de Texas Instruments (TI) sont des exemples de pilotes de moteur conçus pour les applications alimentées par batterie avec une alimentation nominale de 1,65 V à 11 V. Cela s'adapte à la tension maximale pour une batterie au lithium à deux cellules (8,4 V) ou une batterie alcaline à deux cellules presque déchargée (1,65 V).

Les systèmes alimentés par batterie passent la majeure partie de leur durée de vie en état de veille. Par exemple, les consommateurs peuvent faire fonctionner des stores motorisés seulement deux fois par jour, ou verrouiller et déverrouiller une serrure électronique jusqu'à 20 fois par jour. La vanne d'un compteur de gaz ou d'un compteur d'eau ne peut jamais être actionnée qu'une fois par an. Le courant de veille de l'ensemble du système doit être faible afin d'obtenir de longues durées de vie des batteries dans ces systèmes.

L'ajout de commutateurs de charge sur les rails d'alimentation des périphériques du système est un moyen de maintenir le courant de veille faible. Une autre façon consiste à utiliser des appareils à faibles courants de veille optimisés pour les applications de batterie. Les DRV8210 et DRV8212 ont des courants de veille <84,5 nA pour aider à réduire la consommation de courant de veille du système. D'autres façons de réduire le courant de veille du système consistent à éliminer les diviseurs de résistance et à régler les broches logiques de l'appareil avec des résistances de rappel à 0 V lorsqu'elles ne fonctionnent pas.

Les courants importants des moteurs créent deux problèmes dans les systèmes de batterie : ils utilisent l'énergie de manière improductive et ils peuvent entraîner le verrouillage prématuré du système dans un état de verrouillage de batterie faible en raison de la chute de tension sur RBAT. Il existe deux principales causes de courants de moteur importants : le courant d'appel au démarrage du moteur et le courant de décrochage. La figure 3 montre un exemple de ces courants.

La mise en œuvre d'une routine de démarrage progressif pour le moteur en accélérant le rapport cyclique de modulation de largeur d'impulsion peut atténuer le courant d'appel important lors du démarrage du moteur. La figure 4 montre des exemples d'implémentations de démarrage brutal et de démarrage progressif pour une pile épuisée de quatre piles AAA.

Dans la figure 4(a), le courant d'appel du moteur provoque une baisse de la tension de la batterie lors d'un démarrage difficile en raison de la chute de tension aux bornes de RBAT. Si ce système se réinitialise ou passe dans un état de verrouillage de sous-tension autour de 3,5 V, le moteur ne pourra pas fonctionner au-delà du démarrage initial.

La figure 4(b) montre comment l'utilisation d'un démarrage progressif provoque une chute de tension plus faible sur le rail d'alimentation, ce qui peut aider à prolonger un peu la durée de vie d'un système avec une batterie épuisée.

Pour aider à contrôler les courants de décrochage, l'ajout d'une résistance de détection de courant peut aider le microcontrôleur à détecter un décrochage et à désactiver le pilote du moteur avant de tirer des courants de décrochage importants pendant une longue période. Des conditions de blocage peuvent survenir à la suite d'un blocage mécanique involontaire ou de la charge mécanique atteignant une butée (comme un pêne dormant complètement actionné dans une serrure intelligente).

La figure 5 montre un exemple de mise en œuvre du système utilisant le DRV8212.

Le convertisseur analogique-numérique du microcontrôleur mesure la tension de la résistance de détection et compare cette tension à un seuil stocké dans le micrologiciel. Si la mesure de courant dépasse le seuil pendant un certain temps, le microcontrôleur désactive le pilote du moteur pour économiser de l'énergie. Il est important de configurer la durée de détection d'un décrochage afin que le courant d'appel ne déclenche pas accidentellement la détection de décrochage.

La figure 6 montre un profil de courant du moteur pendant une condition de calage avec détection de calage mise en œuvre, tandis que la figure 3 montre la forme d'onde du courant du moteur sans détection de calage.

Les fabricants de batteries mesurent la capacité de la batterie en mAh, ce qui limite à la fois l'amplitude du courant d'appel et la durée du courant de décrochage pour prolonger la durée de vie de la batterie.

Il peut être difficile de concevoir des systèmes alimentés par batterie qui utilisent des moteurs en raison de la durée de vie limitée de la batterie, des variations de tension de la batterie et des courants de moteur importants. L'utilisation d'un pilote de moteur adapté à la plage de tension de la batterie facilite les efforts de conception en éliminant les convertisseurs élévateurs supplémentaires et en acceptant la tension de fonctionnement minimale de la batterie.

La minimisation du courant de veille global du système et l'utilisation d'un pilote de moteur avec un mode veille à faible consommation réduisent le gaspillage d'énergie de la batterie. Les techniques de démarrage progressif et de détection de décrochage peuvent également aider à augmenter la durée de vie des applications de batterie en réduisant l'amplitude et la durée des courants de moteur importants dans le système.

En utilisant ces techniques, les concepteurs de systèmes peuvent prolonger la durée de vie des systèmes alimentés par batterie tels que les produits d'assainissement intelligents, les stores motorisés, les serrures intelligentes électroniques, etc.

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