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BU-601:智能电池如何工作?

2018-10-31   点击量:476

了解不同的总线系统以及限制所在的位置。


一位电池会议上的发言人曾说:"电池是一种野生动物,人工智能驯化它。"电池是虚幻的,并且在使用过程中没有表现出明显的变化;完全充电或空载,无论新旧,需要更换时,它看起来都一样。相比之下,汽车轮胎在空气不足时会扭曲,并在胎面磨损时显示寿命终止。


电池的缺点可归纳为以下三个问题:[1]用户不知道电池组剩余的运行时间;[2]主机不确定电池能否满足电力需求;[3]充电器必须根据每种电池尺寸和化学成分进行调整。解决方案很复杂,"智能"电池有望减少这些缺陷。


电池用户将电池组想象为类似于分配液体燃料的燃料箱的能量存储装置。出于简化的原因,可以看到电池;然而,测量来自电化学装置的储存能量要复杂得多。


虽然普通的电量计测量已知尺寸的水箱流入和流出的液体损失最小,但电池电量计具有未经证实的定义并且仅显示开路电压(OCV),这是充电状态的变幻无常(SoC)。为了解决这个问题,电池是一个泄漏和收缩的容器,每次充电都会损失能量并减少容量。随着容量衰减,指定的Ah(安培小时)额定值不再适用。燃油表也不能单独评估容量;即使容量已降至指定Ah的一半,读数也会在充电后显示满电。


测量充电状态的最简单方法是读取电压,但这可能是不准确的,因为负载电流在放电期间会降低电压。最大的挑战是大多数锂和镍基电池的平放电压曲线。温度也起作用;热量会升高电压,而寒冷的环境会降低电压。先前充电或放电引起的搅动会导致进一步的错误,电池需要休息几个小时来中和。


用于医疗、特种和计算设备的大多数电池都是"智能的"。这意味着在电池、设备和用户之间发生某种程度的通信。"智能"的定义因制造商和监管机构而异,最基本的智能电池可能只包含一个芯片,可将充电器设置为正确的充电算法。在智能电池系统(SBS)论坛的眼中,这些电池不能称为智能电池。SBS论坛指出,智能电池必须提供充电状态指示。


安全是一个关键的设计目标,SBS背后的概念是将系统智能置于电池组内。因此,SBS电池在闭环中与充电管理芯片通信。尽管有这种数字监控,大多数SBS充电器还依靠化学电池的模拟信号在电池充满时终止充电。此外,出于安全原因,增加了冗余温度传感。


Benchmarq是1990年第一家提供电量计技术的公司。如今,许多制造商在单线和双线系统中提供集成电路(IC)芯片,也称为系统管理总线(SMBus)。


智能电池中的充电状态估计通常包括库仑计数,这一理论可以追溯到查尔斯-奥古斯丁·德库仑首次建立"库仑规则"250年后。库仑计数测量了流入和流出的能量。每秒一库仑(1C)是一安培(1A)。将电池在1A放电一小时相当于3600℃。(不要与C率相混淆。)


库仑计数应完美无缺,但会发生错误。例如,如果电池在1安培下充电1小时,则在放电时应该可以获得相同的能量,并且没有电池可以提供这种能量。充电接受效率低下,特别是在充电结束时,尤其是快速充电时,会降低能效。在储存和放电过程中也会发生损失。可用能量总是小于送入电池的能量。


单线总线


单线系统(也称为1-Wire)通过一根导线以低速进行通信。1-Wire由DallasSemiconductorCorp.设计,将数据和时钟组合成一条线路进行传输;曼彻斯特码,也称为相位编码,在接收端分离数据。出于安全原因,大多数电池还使用单独的电线进行温度感测。


单线系统存储电池代码并跟踪通常包括电压、电流、温度和充电状态信息的电池数据。由于硬件成本相对较低,单线系统对价格敏感的设备很有吸引力,如测量仪器、移动电话、双向无线电、照相机和扫描仪。


大多数单线系统都有自己的协议,并使用定制的充电器。例如,Benchmarq单线解决方案无法直接测量电流;只有在将主机与指定电池"结合"时,才能进行健康状态(SoH)测量。


系统管理总线


系统管理总线(SMBus)代表了一致同意一个通信协议和一组数据的努力。Duracell/Intel智能电池系统源自I2C,于1995年标准化,由两条独立的数据和时钟线组成。I2C(内部集成电路)是飞利浦半导体公司发明的多主,多从,单端,串行计算机总线。


SMBus使用标准化通信协议在双线系统上工作。该系统适用于标准化的充电状态和健康状态测量。


SMBus电池背后的理念是从充电器中移除充电控制并将其分配给电池。使用真正的SMBus系统,电池成为主电源,充电器成为服从电池指令的从机。这使得通用充电器能够通过应用正确的充电算法来服务现在和将来的电池化学物质。


在20世纪90年代,出现了几种标准化的SMBus电池组,包括35和202。这些可互换电池由索尼、日立、GP电池等制造,旨在为各种便携式设备供电,如笔记本电脑和医疗仪器。这个想法很稳固,但随着大多数制造商开始建造自己的包装,标准化也有所不同。


为了防止未经授权的电池渗透市场,一些制造商添加了代码以排除其他包装供应商。当达到给定的循环次数时,一些制造商甚至会使电池无效。为了避免意外,这些系统中的大多数会告知用户待处理的寿命终止。


这些电池可用于镍基和锂基化学,可为笔记本电脑、生物医学仪器和测量设备供电。也可提供具有相同占位面积的非SMBus(哑)版本。


SMBus电池包含永久和临时数据。电池制造商将永久数据编程到电池中,其中包括电池ID、电池类型、制造商名称、序列号和制造日期。临时数据在使用期间添加,包含循环计数,使用模式和维护要求。保留一些信息,而在电池的整个使用寿命期间更新其他数据。电压通常以1mV的增量测量;目前的分辨率为0.5mA;温度精度约为±3?C。


智能电池充电器分为1级,2级和3级.1级已停产,因为它不提供与化学无关的充电,仅支持单一化学品。2级充电器完全由智能电池控制,充当SMBus从机,响应智能电池的电压和电流指令。2级也可用作在线充电,这种做法在笔记本电脑中很常见。另一种用途是具有内置充电电路的电池。在2级,电池和电路相互结合。


3级充电器可以解释来自智能电池的命令,如同2级一样,也可以充当主控制器。换句话说,3级充电器可以从智能电池请求充电信息,但它也可以通过响应"化学"电池来施加自己的充电算法。大多数工业智能充电器都基于混合型3级。


一些低成本充电器已经出现,可以容纳SMBus电池,但这些可能不完全符合SBS标准。由于安全问题,SMBus电池制造商不认可这种捷径。生物医学仪器,数据采集设备和测量设备等应用倾向于采用完善的充电协议的3级充电器。表5列出了智能电池的优点和局限性。


智能电池的优点和局限性


好处


提供充电状态和完全充电容量,反映容量估算。


记录电池历史记录,包括循环次数、使用模式、维护要求、最大错误等。


将充电器配置为正确的算法。


提醒用户定期服务。


保护电池免受未经授权的使用。


限制


增加25%的电池成本。(电量计IC在2美元范围内)


使充电器复杂化;大多数智能电池充电器都是混合型,也是非智能电池。


需要定期校准。


读数仅显示充电状态而非实际运行时间。


使用智能电池的简单指南


通过完全放电并每3个月或每40个部分周期后充电来校准智能电池。具有阻抗跟踪的电池提供一定量的自校准。


显示100%SoC的燃油表不会自动确保电池良好。容量可能已经下降到50%,将运行时间缩短了一半。电量计可以给人一种虚假的安全感。


如果可能,请更换相同品牌的电池,以避免与设备和/或充电器出现不兼容问题。使用前请务必测试电池和充电器。


使用未正确指示充电状态的智能电池时请务必小心。此电池可能有故障或与设备不完全兼容。


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