Allt fler tillämpningar, också industriella, blir batterimatade. Det ökar kravet på effektiv batterihantering. Helmut Artmeier från Congatec AG beskriver här företagets ansats för att lösa problemen.
Hela artikeln i PDF-format.
Världen håller på att bli allt mer mobil. Funktionerna i dagens bärbara datorer är allt mer inriktade mot hög mobilitet. Denna ”lyx” har också fått allt större betydelse för specialinriktade applikationer. Typiska exempel är patientövervakning inom medicinen, olika slags mobila mätinstrument, speciellt robust uppbyggda datorer avsedda att användas i tuffa miljöer som lantmäteri samt datorer för diagnostik inom fordonsindustrin som kräver speciella funktioner.
Applikationer inom dessa och liknande områden kräver hög flexibilitet, och därför tas de ofta fram med hjälp av COM-moduler (Computer On Modules), ofta baserade på dagens XTX-standard. De spänningsaggregat som krävs för denna typ av lösningar måste vara enkla att implementera och mycket flexibla. Därför har congatec utvecklat ett koncept kallat Embedded Battery Management, som uppfyller dessa krav.
Modul
De koncept för batterihantering (battery management) som finns i bärbara datorer och andra batteridrivna konsumentprodukter baseras ofta på slutna, egenutvecklade batterisystem. Denna fixerade uppbyggnad ger inget utrymme för skalbarhet, eftersom det inte har behövts någon sådan i denna typ av applikationer. Denna lösning ger i sin tur höga utvecklingskostnader som bara kan motiveras vid mycket stora produktvolymer. Men den kan inte uppfylla de krav som embedded-applikationer ställer på flexibilitet och korta utvecklingstider.
Embedded-lösningar kan utvecklas snabbt om man använder modulkoncept som XTX, ETX eller COM Express. Batterihanteringen i sådana lösningar måste konstrueras så att den blir ytterst flexibel eftersom mobila embedded-applikationer ställer specifika krav på spänningsaggregaten.
congatec följer trenden mot mobilitet genom att släppa ut modulen SBM2 (Smart Battery Management Module). Det är en integrerad modul som konstruerats för att ge en snabb och riskfri mobil batterilösning. Dessutom är SBM2 bara 68 x 95 mm stor och 12,5 mm hög. Det enda krav modulen ställer är att systemets kraftaggregat ger 19 VDC. SBM2 tar hand om resten.
En effektbegränsare på ingången till SBM2 gör det möjligt att dimensionera AC-spänningsaggregatet så att det ger maximal CPU-effekt plus 25 procent. SBM2 distribuerar strömmen till systemet och batteriladdaren på ett intelligent vis. Detta resulterar i lägre vikt och lägre kostnader, jämfört med ett ”worst case”-scenario där man måste dimensionera spänningsaggregatet så att det samtidigt ger maximal laddning till batterierna och maximal effekt till systemet.
Congatecs SBM2-modul kan enkelt integreras (se fig 1), och den ger stora anpassningsmöjligheter. SMART-batterier kan konfigureras som 2S1P upp till 4S3P. Det finns möjlighet att använda batterierna antingen sekventiellt eller parallellt. Vid sekventiell drift kan tomma batterier bytas ut mot laddade. Vid parallell drift används båda batterierna samtidigt, vilket ger ökad energiverkningsgrad. Härigenom kan batteridriftstiden ökas med upp till 10 procent.
SBM2 ger också möjligheter att styra ett antal lysdioder som visar batteriernas laddningstillstånd. Denna funktion kan vara till hjälp när systemoperatören vill kunna kontrollera batteriernas status visuellt, utan att behöva använda operativsystemet.
SBM2 är utrustad med sin egen MCU, som kommunicerar via I2C-bussen med den kortcontroller som finns på congatecs CPU-kort, se fig 2. Denna kortcontroller samarbetar nära med ACPI-sektionen i congatecs embedded-BIOS. Kommunikationen mellan operativsystemet och själva applikationen sker med hjälp av ACPI-drivrutinen eller congatecs CGOS API (ett enhetligt mjukvarugränssnitt för alla congatecs kort och vanligt förekommande operativsystem).
Protokollet för kommunikation mellan SBM2 och congatecs CPU-kort baseras på protokollet från SBS-forum.org. Protokollet har utökats av congatec med några nya funktioner, men det är fortfarande fullt bakåtkompatibelt. Adressen till SMART-batterisystemets styrkrets och själva SMART-batteriet har slagits ihop till en enda MCU, enbart för att minska systemkostnaderna.
För att åstadkomma en kommunikationskanal mellan SBM2 och operativsystemet definierades ett ”Control-Method-Batterie-Interface” (CMB), och det implementerades i ACPI-sektionen av congatecs embedded-BIOS. Det ger den flexibiliteten att det går att ansluta sig till batterisystemet genom ett standardiserat mjukvarugränssnitt.
Med hjälp av detta CMB-gränssnitt kan operativsystemet effektivt styra hur batterierna skall uppföra sig genom att sätta nya brytpunkter för låg batterispänning, eller gränsvärden för varningsrapporter, beroende på CPU-belastningen. Operativsystem som följer ACPI, som Microsoft Windows XP, Windows XP Embedded och Linux, kan därför direkt få access till batteriernas status och få information om deras laddningstillstånd, den aktuella strömkällan och belastningsstatus.
När man använder andra operativsystem kan mjukvaruapplikationerna själva få access till batterisystemet med hjälp av congatecs CGOS API. Detta API innehåller inte bara batterifunktioner, utan också gränssnitt för ett stort antal olika embedded-funktioner som finns tillgängliga på congatecs CPU-kort. Alla vanliga operativsystem stöds av detta enhetliga API.
För att uppnå lång batteritid är alla moderna datorer försedda med sofistikerade arbetslägen för effekthantering. Förutom att stänga av displayen och hårddisken har arbetsläget S3 andra metoder för energibesparing. I S3-läge (suspend-to-RAM) lagrar operativsystemet datorns aktuella tillstånd i huvudminnet (RAM) och kopplar därefter ned spänningsaggregatet till ”mjuk avstängning”. Den enda spänning som då levereras är en 5 V standby-spänning. RAM-minnet använder denna spänning för sin självuppfriskning. Suspend-to-RAM stöds av många av congatecs CPU-kort, liksom av SBM2. Med hjälp av dessa funktioner går det att bygga mobila lösningar som har hög beräkningskraft och lång batterilivslängd.
För att ge möjligheter att snabb utvärdera SBM2 SMART Battery Management Module erbjuder congatec ett startpaket som innehåller en SBM2-modul, ett SMART-batteri samt en komplett uppsättning kablar, se fig 3. Detta paket kan användas tillsammans med congatecs startpaket för XTX. Tillsammans ger paketen en snabb och enkel väg att utvärdera alla funktioner och konfigurationer som XTX- och SBM2-modulerna erbjuder. Om man behöver använda ett specialanpassat system kan SBM2 enkelt anslutas till kundens specifika baskort. Ett alternativ är att integrera SBM2-modulen i baskortet.
Dessa modulära koncept för datorfunktionalitet och batterihantering ger en mycket god möjlighet att individualisera och anpassa embedded-datorlösningar. Ett visst embedded-system kan göras mycket flexibelt vad avser prestanda genom att man helt enkelt utrustar det med CPU-moduler av olika prestandaklass. Eftersom det finns stöd för ett stort antal olika batterityper med olika kapacitet kan batterilivslängden skalas för att uppfylla applikationens krav. Kostnader, designrisken, flexibiliteten och utvecklingstiden kan optimeras. Alla embedded-PC-applikationer som använder batterier kan dra nytta av dessa modulära koncept.
Helmut Artmeier, Congatec AG
11%
13%
42%
12%
22%
