ASUS, Battery Pack A32-F82
Dai vecchi portatili oramai inutilizzati – il più delle volte dimenticati in cantina/soffitta e/o sopra qualche mobile a prendere polvere – o non più utilizzabili, vuoi perché hanno subito un danno irreparabile vuoi perché hanno un hardware obsoleto, è possibile recuperare diversi componenti per un possibile riutilizzo: ad esempio lo schermo e le batterie presenti nel pacco batterie sono sempre dei possibili candidati.
Batterie solitamente – per non scrivere esclusivamente – agli ioni di litio (Li-Ion) nel formato 18650 che, se non definitivamente rovinate, è possibile ricaricare e utilizzare per costruirsi, ad esempio, un power bank “home made” oppure da inserire nelle torce (flashlight) che prevedono l’utilizzo di quel formato di batteria. Non solo, ma le stesse batterie possono essere utilizzate per ripristinare un eventuale pacco batterie non funzionante di un portatile ancora in uso.
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Pacco Batterie ASUS A32-F82
In tale ottica ho ripreso il mio vecchio portatile, un ASUS K51A, nella cui dotazione aveva il pacco batterie agli Ioni di Litio visibile in figura (in basso) e siglato: ASUS Li-Ion Battery Pack A32-F82. Un pacco batteria ancora largamente venduto in diversi magazzini/negozi ad un prezzo oscillante intorno ai 30€.
Dalle caratteristiche riportate sul corpo si legge: 11,1V, 4400mAh e 46Wh. Da questi dati è già possibile immaginare il numero di batterie nonché il tipo di collegamento. Infatti, poiché ogni batteria Li-Ion nel formato 18650 quando è carica ha generalmente una tensione al più di 3,7V, allora la tensione risultante di tre batterie in serie fornisce proprio gli 11,1V (3,7+3,7+3,7=11,1V) in uscita dal pacco batterie.
Per le correnti occorre fare dapprima una breve premessa. Il formato 18650 in genere ha una capacità che va – normalmente – dai 1500mAh per arrivare intorno ai 3500mAh. In tal senso il peso della batteria – espresso in grammi – ha una sua importanza. Ad esempio, batterie che recano sull’involucro 3000mAh ma pesano sotto i 45-46g, nella realtà non hanno la capacità dichiarata e molto probabilmente la capacità effettiva sarà più o meno minore in funzione anche della qualità costruttiva della batteria stessa. Per capacità di 3000mAh o maggiori il peso non può scendere al di sotto dei 48g. Detto questo è facile immaginare come per raggiungere la capacità di 4.400mAh del pacco batterie in esame è sufficiente mettere in parallelo 2 batterie da 2.200mAh. In definitiva il pacco batterie sarà costituito da 3 coppie di batterie a due due in parallelo, come riportato nello schema elettrico. Il colore dei fili riportati sarà chiarito a breve.
Teardown parte 1
Rimuovendo la pellicola superficiale si notano – appunto – 6 batterie:
Iniziando l’operazione di rimozione dei separatori di plastica delle baie (slot) il primo elemento a venire alla luce è una sorta di “cerino” nero: trattasi di un sensore di temperatura (termistore) e in basso è possibile vederlo in primissimo piano.
Proseguendo con lo smontaggio è possibile vedere ambo i lati del pacco: nella seconda immagine che segue notare il colore dei fili che va a “collegarsi” alla denominazione riportata nello schema precedente. Si noti il sensore di temperatura posto al di sotto del filo giallo.
Dalla prima fotografia è possibile risalire al modello, trattasi di batterie LG DAS31865 il cui datasheet è riportato in basso:
I curiosi che volessero sapere com’è assemblata una pila agli Ioni di Litio possono visionare il video che segue:
Protezione batterie Li-Ion
Esistono batterie unprotected e batterie protected. La distinzione è abbastanza intuitiva ma verrà ripresa a breve. Usualmente i pacchi batteria, e quindi le batterie che lo costituiscono, siano esse Li-Ion (Ioni di Litio) o ai Polimeri di Litio (LiPo), hanno diversi livelli di protezione al fine di soddisfare gli standard di sicurezza richiesti e proteggere l’utente e le apparecchiature dai rischi di guasto della batteria stessa: oltre alle protezioni a livello di cella interna, vengono aggiunte soluzioni di protezione esterna per fornire ulteriori misure di sicurezza. Questi accorgimenti proteggono la batteria da un insieme di pericoli più comuni: la sovraccarica della batteria, il sovraccarico di corrente (dovuto ad esempio ad un corto circuito) e dalla eccessiva temperatura. Ogni livello di sicurezza è caratterizzato da uno specifico componente.
– PTC (Positive Thermal Coefficient) o PPTC (Polymeric Positive Thermal Coefficient): dispositivo che aumenta la propria resistenza all’aumentare della temperatura. Tipica protezione da surriscaldamento e indirettamente da sovracorrente. Sotto normali condizioni di funzionamento la sua resistenza ohmica è prossima allo zero. Il suo intervento è triggerato allorquando la potenza dissipata P=R \times I^2 – ad esempio dovuto ad un cortocircuito – è tale da far aumentare la temperatura fino alla soglia di intervento che porta ad un incremento di resistenza di un fattore di 10^3 e oltre (immagine a lato). In queste condizioni la corrente circolante è molto bassa e quando la temperatura scende verrà ripristinato il normale funzionamento della batteria. Trattasi pertanto di intervento reversibile (immagine in basso).
– CID (Current/Circuit Interrupt Device): nella pratica trattasi di una lega metallica che cambia forma sotto l’azione di una pressione. La pressione che agisce su questo componente è di fatto la pressione interna della cella. Se la pressione è troppo alta la deformazione di questo componente meccanico è tale da distaccare (in maniera permanente) il polo positivo esterno della batteria dal polo positivo della cella interna. In sostanza una sorta di valvola di pressione che disabilita la cella in modo permanente se la pressione all’interno di essa è troppo alta (ad esempio dovuta ad una carica eccessiva). Di lato – fonte batterguy.com – è riportata una vista esplosa di tutti i componenti che costituiscono l’elettrodo positivo (il catodo) di una tipica batteria Li-Ion. In basso il pdf di uno dei tanti brevetti (in questo caso l’US8642195B2) che stanno dietro il sistema appena illustrato.
– PCB (Printed Circuit Board): circuito elettronico che protegge normalmente da sovraccarica, sovracorrente e sovratemperatura. Definito con l’acronimo inglese Battery Management Unit (BMU) è in genere un piccolo PCB integrato nella batteria (figura a lato) – o nel pacco batterie – che, come visibile dalla figura in basso, presenta sempre almeno due importanti elementi: un’unità centrale di controllo, in sostanza un circuito integrato dedicato il quale monitora costantemente le condizioni di corrente e temperatura alle quali le batterie sono sottoposte al fine di verificare la presenza di condizioni di funzionamento non sicure, e degli switch – sostanzialmente sempre MOSFET – i quali comandati dal circuito di controllo permettono l’inserzione della batteria o il suo distacco dal resto del circuito (caricatore compreso) qualora dovessero essere rilevate condizioni di funzionamento anomale. Nelle batterie protected questo piccolo sistema lo si trova integrato nel lato negativo (anodo) della pila Li-Ion. È evidente come alcune protezioni – tra quelle “meccaniche” ed elettroniche – risultino ridondanti ed è intuitivo come le batterie protected siano meno propense a incendiarsi e/o causare danni a persone o cose.
Teardown parte 2
Ritornando al Battery Pack ASUS A32-F82 la scheda di controllo – il BMU/BMS – contenuto in esso è visibile nelle fotografia a lato (si può ingrandire cliccandoci sopra): di dimensioni in mm pari a 111×12, ne è stata fotografata la parte frontale (top layer del PCB) dov’è presente il connettore ovvero la parte che si collega al portatile nell’alloggiamento del pacco batterie.
I poli – anodi e catodi – delle singole batterie (o il parallelo di esse) sono collegate – in base ai fili colorati riportati nel precedente schema elettrico – agli opportuni ingressi dell’integrato BQ29330 un 30 pin in package TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package) che fornisce funzioni di protezione per sovraccarico, corto circuito in carica e cortocircuito in scarica, sovratensione delle celle, sovratensione della batteria e protezione anche da sotto-tensione. 
Ad esempio, in presenza di sovraccarico, cortocircuito in carica e/o cortocircuito in condizioni di scarica, il BQ29330 disattiva (“spegne”) il MOSFET di carica o di scarica a seconda delle condizioni di funzionamento in quel preciso momento e dell’impostazione di configurazione interna. Il BQ29330 ha quindi la funzione di AFE (Analog Front End) un sistema più o meno complesso di circuiteria analogica integrata in un chip che da un lato permette il condizionamento di segnali analogici (nella fattispecie la misura dei valori di tensioni e/o correnti inerenti una o più batterie), e dall’altra ha la funzione di front-end, di interfacciamento verso un sistema digitale che, attraverso l’uso dei bus I2C, SPI o altri simili, permetterà l’invio delle informazioni acquisite e rilevate dalla parte analogica. Di seguito è riportato il datasheet.
L’analisi del BMS in questione non termina con l’AFE BQ29330 poiché esso è spesso associato ad un altro integrato, un BQ20Z90 visibile sul lato sinistro del PCB del BMU (foto a lato), anch’esso un 30 pin in package TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package). Qual è la sua funzione? Prima ci si chieda: ma come fa il software del portatile a “capire” quanto tempo di carica è rimasta nel pacco batterie con le attuali condizioni di funzionamento? Chi è che fornisce i dati per far apparire alla applet sul desktop che si ha un’autonomia stimata, ad esempio, di 3 ore e20 minuti e la temperatura della batteria è di 40°C? Dal datasheet del BQ20Z90 è possibile leggere quanto segue:
The bq20z90-V110 SBS-compliant gas gauge IC, incorporating patented Impedance TrackTM technology, is designed for battery-pack or in-system installation. The bq20z90-V110 measures and maintains an accurate record of available charge in Li-ion or Li-polymer batteries using its integrated high-performance analog peripherals. The bq20z90-V110 monitors capacity change, battery impedance, open-circuit voltage, and other critical parameters of the battery pack, and reports the information to the system host controller over a serial-communication bus. It is designed to work with the bq29330 analog front-end (AFE) protection IC to maximize functionality and safety, and minimize component count and cost in smart battery circuits. The Impedance Track technology continuously analyzes the battery impedance, resulting in superior gas-gauging accuracy. This enables remaining capacity to be calculated with discharge rate, temperature, and cell aging all accounted for during each stage of every cycle.
Sebbene esuli dal seguente contesto si fa cenno che la Fuel Gauging Technology è la tecnologia utilizzata per predire la capacità della batteria (e quindi stimarne la sua durata) di un sistema in qualsiasi condizione di carico. Oltre a diversi algoritmi di stima proprietari (e.g. ModelGauge m5 algorithm di Maxim Integrated), essenzialmente vi sono 3 metodi:
- Voltage-based Fuel gauge;
- Coulomb-counting Fuel gauge;
- Impedance Track™ Fuel Gauge (di proprietà Texas Instruments).
Il BQ20Z90 utilizza la tecnologia Impedance Track™ per misurare e calcolare la carica disponibile nella batteria e stimarne di conseguenza la durata. Con questa tecnologia l’errore rimane intorno all’1% per tutta la durata della batteria senza necessità alcuna di sottostare alle dinamiche degli altri due metodi per migliorare la stima sulla durata o sulla carica rimasta. Di seguito è riportato il datasheet.
Un tipico schema di utilizzo per questa coppia di integrati è riportato in basso: notare sulla sinistra il collegamento alle batterie e in basso i MOSFET per il controllo della carica/scarica, utilizzati anche per il distacco della batteria dal carico o dal sistema di carica in caso di problemi di vario tipo. In alto è possibile vedere una resistenza per il rilevamento della corrente (Current Sense Resistor) da 10mΩ; lo stesso valore è presente sul lato sinistro del PCB del BMU in questione, la resistenza di colore verde in configurazione non Kelvin, infatti è una resistenza a soli due terminali.
I MOSFET utilizzati nel BMU presente nel Battery Pack ASUS A32-F82 sono – come da fotografia a lato, cliccarci sopra per ingrandirla – degli RJK0362DSP della Renesas a canale N in package 8 pin SOP (Small Outline Package) con una R_{DS}=5mΩ ad una V_{GS}=10V. Si riporta in basso il datasheet.
Ultimo elemento valevole di attenzione è il componente di dimensioni (in mm) 5,40×3,20 indicato con un triangolino verde e identificato sulla serigrafia con F1. Trattasi di un FR-Protectors (Fuse-Resistance protectors) componenti a basso profilo e alta stabilità con due specifiche funzioni di protezione per l’applicazione principale nei pacchi batterie agli ioni di litio; una protezione da sovraccorrente (OCP, OverCurrent Protection) e una protezione da sovratensione (OVP, OverVoltage Protection). Osserv
ando il datasheet riportato in basso è possibile notare come sia caratterizzato da 4 terminali: una coppia di terminali fa capo ad un elemento resistivo scaldante e l’altra coppia di terminali fa capo ad un elemento fusibile. L’elemento resistivo scaldante è la parte che andrà a triggerare l’elemento fusibile in presenza di sovratensioni. Le sovracorrenti verranno “sentite” direttamente dalla resistenza interna dell’elemento fusibile. A destra la fotografia (fonte karosium.com) della parte interna del componente: notare l’elemento fusibile (parte arancione) e subito in basso (su strato blu) l’elemento scaldante.
Infine, per i curiosi, in basso è riportato il “bottom layer” del PCB.
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