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In che modo i misuratori intelligenti del livello della batteria aumentano l’autonomia dei dispositivi portatili

I misuratori di batteria intelligenti migliorano la durata della batteria in numerosi dispositivi portatili e indossabili come i misuratori di glicemia portatili personali (BGM) di cui si parla in questo articolo.

Un livello di glucosio nel sangue troppo alto o troppo basso può causare gravi rischi per la salute: per questo motivo il monitoraggio dei livelli di glucosio nel sangue è una priorità assoluta. E con oltre 150 milioni di persone in tutto il mondo affette da diabete, la necessità di misuratori di glicemia portatili personali (BGM) è grande.

Un monitor continuo del glucosio (CGM), mostrato nella Figura 1, consente alle persone con diabete di controllare le letture del glucosio in tempo reale o di monitorare le letture del glucosio per un periodo di tempo prolungato. Come suggerisce il nome, i CGM monitorano continuamente i livelli di glucosio e avvisano gli utenti di livelli pericolosi. Il monitor è tipicamente costituito da un’unità sensore, mostrata nella Figura 2, e da un’unità aggregatrice, mostrata nella Figura 3.

Figura 1: l’unità sensore del monitor continuo del glucosio (CGM)

L’unità sensore si collega al corpo per un certo periodo di tempo (da otto a dieci giorni, per esempio). Utilizza una batteria principale a bottone o a bottone. L’aggregatore è un’unità portatile alimentata a batteria che sfrutta la tecnologia a radiofrequenza (RF) come Near Field Communication per leggere i dati del glucosio. Il sottosistema di gestione della batteria dell’aggregatore comprende un caricabatteria, un indicatore e una protezione. Una tipica unità aggregatrice funziona con una batteria a cella singola agli ioni di litio da 3,7 V. È ricaricabile con un ingresso USB o CC da un adattatore.

Figura 2: unità sensore CGM.
Figura 3: Diagramma a blocchi di un’unità aggregatrice CGM.

Gli indicatori del livello della batteria aiutano a risolvere i problemi critici di gestione della batteria utilizzando metodi predittivi per stimare la capacità residua della batteria, lo stato di carica, il tempo di esaurimento e lo stato di salute in varie condizioni di carico. Con una misurazione intelligente della batteria, è possibile estendere il tempo di esecuzione (come mostrato nella Figura 4) e il ciclo di vita della batteria. L’algoritmo di misurazione Impedance Track di Texas Instruments consente la prevedibilità della capacità della batteria con una precisione superiore al 99% con i misuratori di batteria che hanno prestazioni di misurazione analogica superiori e validi modellazioni delle caratteristiche della batteria.

Figura 4: tempo di esecuzione esteso con un misuratore Texas Instruments.

Esistono diverse opzioni di misurazione a cella singola che sono compatte, convenienti e offrono un consumo energetico estremamente ridotto. L’indicatore del livello di carica può risiedere nel pacco batteria o nel PCB del sistema, con quest’ultimo più comune nelle applicazioni mediche portatili.

Le figure 5 e 6 mostrano tipiche configurazioni di misurazione del livello di carica lato sistema e lato pacco. Gli indicatori sul PCB del sistema, come il BQ27426, richiedono una configurazione utente minima e consumano poca corrente durante il normale funzionamento. Per un livello di integrazione superiore, alcuni misuratori hanno un resistore di rilevamento integrato, come il BQ27421-G1.

D’altra parte, se il misuratore è integrato nel pacco batteria, sono disponibili opzioni di grande precisione che utilizzano firmware basato su flash e autenticazione Secure Hash Algorithm-256 integrata, come BQ27Z561-R1. I circuiti integrati di protezione, come il BQ2970, possono fornire protezione da tensione, corrente e carica inversa.

Figura 5: Tipica configurazione di misurazione della carica dal lato host/sistema.
Figura 6: Tipica configurazione di misurazione della carica dal lato pacco batteria.

Gli indicatori della batteria apportano un maggiore livello di precisione e intelligenza alla gestione dell’alimentazione. I sistemi senza misuratori accurati si spengono semplicemente al raggiungimento di un valore di tensione predeterminato. Molti dispositivi si spengono a 3,5 V per coprire la capacità di riserva nel caso peggiore (riservando l’energia della batteria per le attività di spegnimento). Come mostra la Figura 4, per generare un avviso di basso valore di batteria è sufficiente misurare la tensione con un microcontrollore e un convertitore analogico-digitale per generare un avviso di basso valore di batteria basso; si tratta tuttavia di un metodo poco affidabile per misurare la capacità residua, poiché la maggior parte delle applicazioni ha condizioni di carico variabili che potrebbero produrre l’allarme. Un valido indicatore, invece, calcolerà la capacità residua e modificherà la tensione di spegnimento per soddisfare la capacità di riserva in tutte le condizioni, portando in questo caso a un aumento del tempo di funzionamento.

Oltre al vantaggio della capacità di riserva, alcuni indicatori di batteria hanno la capacità di non segnalare uno stato di carica pari allo 0% a causa di un carico impulsivo transitorio elevato, causando un calo della tensione della cella al di sotto della tensione di intervento. Ciò è vantaggioso nei casi in cui vi è ancora una capacità significativa nella batteria, ma l’elevato transitorio fa sì che la tensione di intervento venga raggiunta prematuramente.

Le batterie sono sistemi elettrochimici complessi che sono influenzati dall’invecchiamento della batteria, dalla temperatura e dall’impedenza. Algoritmi, dispositivi compatti e integrazione avanzata dei dispositivi sono tutte caratteristiche chiave per migliorare le prestazioni del sistema.

Quali sono le tue maggiori sfide nelle applicazioni mediche a batteria come i misuratori continui di glucosio nel sangue? Diteci nei commenti.

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nonché ulteriori risorse tecniche:

Rushi Dalal è Power Interface Product Marketing presso Texas Instruments.