ทดสอบ MAX17263 ไอซีวัด % แบตเตอรี่ Li+ จาก Maxim Integrated

แบตเตอรี่ Li+ (แบตเตอรี่ลิเธียม) เป็นแบตเตอรี่ที่ให้แรงดันไฟฟ้าออกมาคงที่ตลอดเวลาที่คลายประจุ และดึงแรงดันคงที่แทบจะตลอดเวลาที่เก็ยประจุ ทำให้การวัด % ของแบตเตอรี่ทำได้ยาก เนื่องจากปกติการวัด % ของแบตเตอรี่จะทำผ่านการวัดแรงดันไฟฟ้า เมื่อไม่สามารถวัดแรงดันไฟฟ้าเพื่อคำนวณเป็น % ได้โดยง่าย จึงจำเป็นต้องใช้ข้อมูลแวดล้อมมาคำนวณแทน เช่น ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า (ชาร์จ/คลายประจุ) อุณหภูมิของเซลล์แบตเตอรี่ โปรไฟล์การชาร์จและคลายประจุของแบตเตอรี่ เป็นต้น ซึ่งการทำขั้นตอนดังกล่าวเองจำเป็นต้องใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก และใช้การเขียนโปรแกรมคำนวณที่ซับซ้อน การใช้ไอซีสำเร็จรูปจึงเป็นตัวเลือกที่สะดวกกว่ามาก

ในบทความนี้ทดสอบไอซีวัดแบตเตอรี่ (LiPo Fuel Gauge) เบอร์ MAX17263 ในการวัด % ของแบตเตอรี่เทียบกับแรงดันไฟฟ้า โดยใช้บอร์ด MAX17263 EVKIT ในการทดสอบ และใช้ ESP32 ในการทดสอบอ่านค่า

บทความนี้ทดสอบและให้ความเห็นโดยใช้ความรู้ของผู้เขียนเป็นสำคัญโดยอาจมีข้อมูลบางส่วนไม่ถูกต้อง เพื่อให้ได้ข้อมูลที่ถูกต้องมากขึ้นควรอ่านเอกสารจากผู้ผลิตเพิ่มเติม

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ MAX17263

MAX17263 เป็นไอซีวัดแบตเตอรี่ที่รองรับการวัดแบตเตอรี่ Li+ ทั้งแบบเซลล์เดียวและหลายเซลล์ โดยวัดได้สูงสุด 8 เซลล์ ต่อหลอด LED เพื่อแสดงสถานะปริมาณแบตเตอรี่ได้ สามารถอ่านค่าแรงดันไฟฟ้า (Vcell) ปริมาณแบตเตอรี่ (SOC: %) ความจุของแบตเตอรี่ (Capacity: mAh) อุณหภูมิของแบตเตอรี่ ได้ผ่าน I2C บัส 3.3V

สภาพแวดล้อมการทดสอบ

การทดสอบนี้ใช้แบตเตอรี่ 1 เซลล์ เบอร์ LP503450 ชนิด Lithium Polymer ในการทดสอบ และไม่ได้ใช้แบตเตอรี่ที่ผู้ผลิตไอซีแนะนำ สเปคของแบตเตอรี่ที่ใช้ทดสอบแสดงด้านล่าง

Lipo Cell: LP503450
Lithium Battery PCM: Yes
NTC: No
Configuration: 1S1P
Battery Weight: appr. 20g
Lipo Battery Dimension: 5mm*34mm*50mm
Lipo Battery Rated Capacity: 1000mAh min, 1010mAh typ.
Lithium Polymer Battery Nominal Voltage: 3.7V
Lipo Battery Wat-Hour Rating: 3.7Wh
Max. Operating Voltage Range: 2.75V to 4.20V
Max. Charge Voltage: 4.2V ±50mV
Max. Charge Current: 500mA
Discharge Current: 1000mA
Discharge Cut Off: 2.75V
Internal Impedance: <200mΩ
Lipo Battery Expected Cycle Life @ (0.5C/0.5C) @ 23±5°C 500 cycles ≥ 80%

การตั้งค่า MAX17263 EVKIT ตั้งค่าดังนี้

J4 ใช้เลือกจุดต่อตัวต้านทานวัดกระแส ว่าจะใช้วงจรแบบ LOW SIDE หรือ HIGH SIDE (วางตัวต้านทานคั่นที่ + หรือ -) ทดสอบนี้จั้มจุด 1-2 (LOW SIDE)
J3 ใช้เลือกจำนวนเซลล์ของแบตเตอรี่ ทดสอบนี้จั้มจุด 2-3 (1S)

รูปที่ 4 จุดจั้ม J3 และ J4 บนบอร์ด MAX17263 EVKIT

ผลการทดสอบ

ทดสอบคลายประจุแบตเตอรี่โดยใช้ Electronic Load ตั้งค่าดึงกระแสไฟฟ้าที่ 1A ตลอดเวลา ผลที่ได้ ในช่วงแรกของการเริ่มโหลดกระแส แรงดันตกแบตเตอรี่จาก 4.2V ตกไปที่ 3.9V ทันที จากนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงตกลงเรื่อย ๆ ส่วนค่า SOC (% แบตเตอรี่) ค่อย ๆ ตกจาก 100% ไปเรื่อย ๆ จนเวลาผ่านไปประมาณ 38 นาที แบตเตอรี่จึงถูกคลายประจุจนหมด แรงดันแบตเตอรี่ตกจนวงจรป้องกันแบตเตอรี่ทำงาน ส่วนค่า SOC เป็น 0 ตั้งแต่ช่วงนาทีที่ 32 ในขณะที่แรงดันแบตเตอรี่อยู่ที่ 3.2V ผลการทดสอบคลายประจุแบตเตอรี่ฉบับเต็มแสดงดังกราฟด้านล่าง

กราฟแรงดันของแบตเตอรี่ เมื่อคลายประจุ 1A ตลอดเวลา

กราฟค่า % ของแบตเตอรี่ (SOC) ที่ได้จากชิป เมื่อคลายประจุ 1A ตลอดเวลา

ทดสอบประจุไฟฟ้าโดยใช้โมดูล TP4056 ตั้งกระแสชาร์จไว้ที่ 1A แต่วัดจริงไอซีชาร์จด้วยกระแสประมาณ 500mA แทบตลอดทั้งช่วงการชาร์จ เมื่อเริ่มชาร์จแรงดันของแบตเตอรี่ขึ้นไป 3.8V ทันที ส่วนค่า SOC วัดได้ 52.2% ในช่วงเริ่มต้นการชาร์จ ขณะชาร์จแรงดันของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตลอดเวลา ในขณะที่ค่า SOC ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน สุดท้ายเมื่อโมดูล TP4056 แสดงไฟสถานะชาร์จเต็ม ค่า SOC วัดได้ 91.4% และไม่เพิ่มขึ้นอีก ผลการทดสอบชาร์จแบตเตอรี่ฉบับเต็มแสดงดังกราฟด้านล่าง

กราฟแรงดันของแบตเตอรี่เมื่อชาร์จโดยใช้ไอซี TP4056 ตั้งกระแสชาร์จ 1A

กราฟ % แบตเตอรี่ (SOC) เมื่อชาร์จโดยใช้ไอซี TP4056 ตั้งกระแสชาร์จ 1A

สรุป

ไอซีวัดแบตเตอรี่ MAX17263 แม้ในการทดสอบชาร์จและคลายประจุจะเห็นค่า offset ของ SOC อยู่บ้าง แต่โดยรวมค่า SOC ค่อนข้างขึ้น และลงแบบเป็นเชิงเส้น ในการใช้งานจริงหากใช้แบตเตอรี่ตามผู้ผลิตแนะนำ และตั้งค่า Profile ของแบตเตอรี่ถูกต้อง หากมีการชาร์จ และคลายประจุหลาย Cycle มากขึ้น คาดว่าจะวัดค่า SOC ได้ตรงขึ้น

ข้อมูลเพิ่มเติม

MAX17263G evaluation kit (EV kit) datasheet : https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX17263GEVKIT.pdf
MAX17263 datasheet : https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX17263.pdf