【導(dǎo)讀】物流與零售終端市場的高速增長正推動整個供應(yīng)鏈對生產(chǎn)力提升與可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。預(yù)計到2027年，全球包裹運輸量將達到2560億件，年復(fù)合增長率為8.5%，這一趨勢充分體現(xiàn)了高效滿足客戶需求的緊迫性。然而，當前的物流基礎(chǔ)設(shè)施難以快速適應(yīng)這種增長，無法全面滿足消費者對當日送達服務(wù)和卓越客戶體驗的期待。本文將剖析手持設(shè)備中的電池管理對成本控制的影響。
物流與零售終端市場的高速增長正推動整個供應(yīng)鏈對生產(chǎn)力提升與可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。預(yù)計到2027年，全球包裹運輸量將達到2560億件，年復(fù)合增長率為8.5%，這一趨勢充分體現(xiàn)了高效滿足客戶需求的緊迫性。然而，當前的物流基礎(chǔ)設(shè)施難以快速適應(yīng)這種增長，無法全面滿足消費者對當日送達服務(wù)和卓越客戶體驗的期待。本文將剖析手持設(shè)備中的電池管理對成本控制的影響。
自動化轉(zhuǎn)型
由于空間利用率低、產(chǎn)品轉(zhuǎn)運和運輸流程中的多種低效問題，一般倉庫或配送中心的運營效率僅在80%至85%之間。此外，近期對倉庫自動化運營經(jīng)理的一項調(diào)查顯示，目前只有20%的倉庫實現(xiàn)了自動化。然而，預(yù)計到2027年，這一比例將激增至90%以上，未來五年將迎來大規(guī)模投資浪潮。
這種大規(guī)模的物流自動化轉(zhuǎn)型將依賴于資產(chǎn)跟蹤、機器視覺以及物體尺寸測量等關(guān)鍵應(yīng)用來實現(xiàn)。要確保貨物在供應(yīng)鏈中高效流動，必須使用先進的條形碼掃描儀和手持計算設(shè)備。這些設(shè)備不僅要實現(xiàn)越來越多的高級功能，還需具備小巧的外形設(shè)計，同時保持電池供電的便捷性，這些正是OEM面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。
物流自動化的安全性和效率
物流公司越來越重視實現(xiàn)積極的可持續(xù)發(fā)展目標。為了實現(xiàn)這些目標，公司不僅利用電動汽車實現(xiàn)車隊現(xiàn)代化改造，還加大對物流供應(yīng)鏈全方位自動化的投資。
其中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是在物流周期的起始階段實施物體、包裹及托盤的尺寸測量（參見圖1）。這些信息有利于下游環(huán)節(jié)提升規(guī)劃效率，從而優(yōu)化配送車輛和貨運集裝箱的利用率。再結(jié)合車內(nèi)/集裝箱資產(chǎn)跟蹤技術(shù)，還能在整個配送過程中實現(xiàn)端到端產(chǎn)品跟蹤，不僅有助于減少產(chǎn)品錯放造成的失誤，還可有效提升物流的安全性與可靠性。
圖1. 傳送帶系統(tǒng)上的3D飛行時間(ToF)尺寸測量
自動數(shù)據(jù)采集掃描儀
自動數(shù)據(jù)采集(ADC)是實現(xiàn)自動化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。ADC設(shè)備包括簡單的條形碼掃描儀和更復(fù)雜的手持計算機等。掃描儀通常用于物流運輸、庫存跟蹤、訂單履行和制造領(lǐng)域的產(chǎn)品跟蹤。雖然這些設(shè)備執(zhí)行的任務(wù)相對簡單，但設(shè)備必須采用堅固耐用的設(shè)計，在確保安全可靠的同時，還必須能夠適應(yīng)許多不同的工作環(huán)境。掃描儀的關(guān)鍵要求（參見圖2）可總結(jié)如下：
快速充電：具備快速充電能力可以讓設(shè)施使用更少的電池和充電器維持手持設(shè)備的運行，從而顯著降低總體資本投入。
精準充電：確保電池完全充滿不僅能最大限度提高電池利用率，還可減少因多余充電周期帶來的資源浪費。
改進邊緣節(jié)點驗證功能：據(jù)估計，約5%至7%的電池為克隆品。這些克隆電池可能在充放電過程中引發(fā)安全隱患，并導(dǎo)致運營中斷，從而造成收入損失。
防護保固：意外掉落可能會使手持設(shè)備受損。集成高g加速度計可檢測設(shè)備是否發(fā)生跌落以及潛在損壞情況。
動態(tài)揚聲器管理(DSM)：自動化環(huán)境往往嘈雜而混亂。對于在用戶界面上具有音頻功能的設(shè)備，需要通過高品質(zhì)音頻放大器提升揚聲器的輸出效果，做到既能在小型揚聲器中保持清晰音質(zhì)，又能盡可能提高輸出功率，同時減少電量消耗。
內(nèi)置自動物體尺寸測量：能夠感知物體與產(chǎn)品并測量其尺寸的手持設(shè)備可以提供關(guān)鍵信息，顯著優(yōu)化物流運輸并提高下游效率。
圖2. 手持掃描儀的關(guān)鍵設(shè)計要求總結(jié)。
實現(xiàn)快速、準確且安全的充電
對于電池供電的手持設(shè)備，電池電量計是一個重要功能。假設(shè)一個倉庫24小時全天候運營。設(shè)備上的電池電量計有10%的誤差，這意味著一塊可以使用8小時的電池在僅運行7.2小時后就會標記為已耗盡電量，實際電量尚未完全消耗。與精確的電量計相比，這相當于每臺掃描儀每年將多出120次以上的電池更換操作。精準充電能夠延長手持設(shè)備的工作時間，充分利用每塊電池的剩余容量，延緩更換電池的頻率。在設(shè)備眾多且規(guī)模龐大的倉庫中，這一改進的累計效益尤為顯著，可大幅降低總體運營成本。
電量計可通過兩種方式實現(xiàn)：主機端或電池端（參見圖3）。在主機端系統(tǒng)中，簡單的電池包連接到主機充電器，主機充電器中的應(yīng)用處理器與連接到主機端的電量計IC進行通信。這種架構(gòu)適合采用嵌入式電池的系統(tǒng)，或者使用壽命較短（僅需數(shù)年）的可拆卸電池系統(tǒng)，同時也適合成本敏感型應(yīng)用。
圖3. 主機端（上圖）和電池端（下圖）電量計架構(gòu)。
相反，在電池端系統(tǒng)中，電池包內(nèi)置電量計IC。這種架構(gòu)適合使用壽命較長的可拆卸電池系統(tǒng)。通過在電池包首次裝入手持設(shè)備時進行驗證，該方法還能有效實現(xiàn)電池的安全認證（詳見“通過驗證解決假冒偽劣問題”部分）。
傳統(tǒng)的電量計方法主要基于庫侖計數(shù)器，即通過檢測電阻來測量充電和放電電流以估算電荷流量，或者基于開路電壓(OCV)測量來估算剩余電荷（例如，4.2 V對應(yīng)100%電荷，2.8 V代表電量耗盡），或者結(jié)合使用這兩種方法（參見圖4）。這兩種方法各有缺點：庫侖計數(shù)器隨著時間的推移會積累偏置（參見圖5），需要在電池完全放電或無負載時進行誤差重置。電壓計設(shè)備則依賴于電池的開路電壓。然而，典型電池放電曲線呈現(xiàn)平坦特性，因此很難確定開路電壓。此外，負載條件對此也有很大的影響（參見圖6）。
圖4. 具有庫侖計數(shù)器和電壓檢測功能的電量計設(shè)備通用架構(gòu)。
圖5. 庫侖計數(shù)器隨時間推移積累偏置誤差以及OCV測量后校正的示例。
圖6. 實際SoC與負載條件下依據(jù)電壓計設(shè)備中的OCV測量估算的SoC不一致，導(dǎo)致難以準確測量電池的開路電壓。
此外，庫侖計數(shù)器和電壓計設(shè)備本身不考慮內(nèi)部自放電、電池老化或溫度，而這些因素都會顯著影響電池的充電狀態(tài)。
為了提高精度，需要更先進的傳感技術(shù)。例如，ADI公司的ModelGauge?系列通過使用兩種獨立的算法來準確評估電池的充電狀態(tài)，從而提供精確的電量計數(shù)據(jù)（參見圖7）：ModelGauge和ModelGauge m5。
圖7. 各種測試條件下的充電狀態(tài)誤差：ModelGauge（藍色）與傳統(tǒng)算法 （紫色）。
ModelGauge用百分比表示充電狀態(tài)。該算法在不斷開負載的情況下估算負載條件下的OCV。OCV使用實時仿真進行計算，以電池電壓作為輸入并結(jié)合電池的動態(tài)參數(shù)。該方法在0°C以上的溫度下提供良好的準確性。
ModelGauge m5是一種相當精密的算法，它提供的數(shù)據(jù)不僅僅是充電狀態(tài)，還包括絕對容量（單位為mAh）、電量耗盡所需的時間、充滿電所需的時間、電池年限、壽命預(yù)測以及有關(guān)電池的其他詳細信息。該算法測量電壓、電流和溫度。因此，它能夠在所有工作條件下實現(xiàn)準確測量，包括低溫或高負載等復(fù)雜的條件。該算法適用于主機端和電池端實現(xiàn)。
ADI提供大量帶有集成保護器和認證器的電量計設(shè)備，適合主機端（MAX1726x系列）和電池端設(shè)計 (MAX17201/MAX17211和帶自放電檢測器的MAX17300/MAX17310）。對于較大的2S節(jié)及以上電池， ModelGauge (MAX17049)和ModelGauge m5 (MAX17261/MAX17263)均可用于集成充電器（線性：MAX17330/MAX17332或降壓：MAX77840/MAX77818) ，以提供單芯片電池管理系統(tǒng)。
對于需要使用USB充電的設(shè)備，ADI提供AccuCharge?技術(shù)，利用標準USB BC1.2和更先進的USB-C功率傳輸(PD)新型充電技術(shù)，為電池充電提供完整的信號鏈。例如，MAX77757和MAX77787提供符合JEITA充電配置的自動Type-C和BC1.2檢測。所有配置使用電阻或數(shù)字輸入引腳完成，并優(yōu)先考慮電阻設(shè)置，確保在電池電量耗盡的情況下正確啟動。所有USB檢測均已內(nèi)置，圍繞這些設(shè)備設(shè)計的架構(gòu)可實現(xiàn)無固件設(shè)計過程（參見圖8）。
圖8. 通過無固件設(shè)計過程，MAX77757/MAX77787等電源設(shè)備支持單芯片架構(gòu)，從而實現(xiàn)標準USB Type-C (≤15 W)充電。
這些設(shè)備的集成度高，因此最終設(shè)計更加小巧、更加高效。例如，通過改善熱管理，系統(tǒng)可以更快、更高效地充電，同時，外形尺寸縮小34%，有利于實現(xiàn)緊湊的可穿戴設(shè)計（參見圖9和10）。
圖9. 得益于集成式設(shè)計和優(yōu)化的熱管理，外形尺寸縮小34%，可支持實現(xiàn)緊湊的可穿戴設(shè)計。
圖10. 圖9所示的設(shè)計（基于MAX77757）提供出色的充電效率，提升幅度約 為3.5%。
對于15 W以上的充電功率，ADI提供USB-C PD系統(tǒng)，將MAX77958 PD 控制器與支持AccuCharge技術(shù)的 MAX77985/MAX77986 充電器（適用于1節(jié)電池）或MAX77960/MAX77961 充電器（適用于2節(jié)及以上電池）相結(jié)合。MAX77958 PD控制器提供完全兼容的USB-C PD3.0充電器控制、自動電纜方向和電源角色檢測功能，以及用于控制充電器的I2C主接口（參見圖11）。
圖11. USB PD (>15 W)雙芯片架構(gòu)的框圖。
MAX77985/MAX77986可提高USB-C PD電池供電設(shè)備的效率。考慮到手 持計算機和移動掃描儀中每天要多次更換電池包，高速充電意味著可減少停機時間。內(nèi)置高效、集成控制器和充電器的充電設(shè)備可通過USB-C PD實現(xiàn)高性能充電。這樣一來，電池包充電速度加快，而溫度卻不會升高，從而盡可能減少電池壓力，大幅延長電池工作壽命（參見圖12）。
圖12. 高性能充電器可加快電池充電速度，并保持適宜的溫度，從而降低電池壓力并大幅延長電池工作壽命。
通過這些架構(gòu)，OEM可以提高使用單節(jié)鋰電池和多節(jié)電池（適合較高電壓用例）的應(yīng)用效率（參見圖13）。
圖13. 基于USB-C的完整1S和2S節(jié)及以上電池充電架構(gòu)。
通過驗證解決假冒偽劣問題
設(shè)計電池供電設(shè)備時，防止假冒偽劣是必須要考慮的一個重要問題。各行各業(yè)都需要大量高價值的電池，因此對造假者而言，電池是一個有利可圖的目標。假冒電池的制造標準通常不高，因此，它們發(fā)生內(nèi)部短路的風險更高，危險的短路會造成熱失控，產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，導(dǎo)致冒煙或火災(zāi)事件（參見圖14、15和16）。
圖14. 假冒電池內(nèi)部短路會導(dǎo)致熱失控、冒煙和火災(zāi)。
圖15. 電池過度充電導(dǎo)致熱失控而引起的退化階段。
圖16. 利用主機端驗證器的電池驗證過程，可有效防止使用不安全的假冒電池。
智能電池電量計電路可提醒系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部短路并切斷電池，從而避免潛在問題。此外，帶有電池端智能電量計的系統(tǒng)可以使用電量計來驗證電池真?zhèn)巍ｋ姵睾驮O(shè)備共享一個密鑰，使電池能夠在安裝時向設(shè)備驗證其真實性。如果確定電池未經(jīng)認證，設(shè)備可以阻止運行并避免使用假冒電池可能引起的潛在安全問題（參見圖16）。
結(jié)論
ADI提供大量高精度電池電量計設(shè)備，這些設(shè)備具有附加電池保護和驗證功能，并使用160位密鑰進行SHA-256安全驗證，以防止電池克隆。電量計IC會先在工廠使用安全密鑰進行編程，再發(fā)運給電池制造商進行電池包的最終組裝。
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