智能電池系統的管理和應用
來源:    發布時間: 2016-11-27 13:24   916 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px
鋰離子電池目前已成為筆記本電腦和手持系統能量來源(電源)的首選。隨著CPU、顯示器和DVD驅動器對電源功率的需求持續增長,高能量密度的電池組也不斷發展。同時,大批量制造工藝保證了高能量密度電池組有一個合理的價格水平。

鋰離子電池目前已成為筆記本電腦和手持系統能量來源(電源)的首選。隨著CPU、顯示器和DVD驅動器對電源功率的需求持續增長,高能量密度的電池組也不斷發展。同時,大批量制造工藝保證了高能量密度電池組有一個合理的價格水平。


  許多新技術,在提高性能的同時也增大了系統的功率消耗。對生產電池的化工企業來說,電池生產技術的實質性進展是很困難的,耗時長、成本高。所以必須尋找尋找優化電源保存的方法。智能電池系統(SBS)是出現的最有希望的技術,可以大大提升電池組的性能。


  在計算機工業界,對鋰離子電池真是又愛又怕。在鋰離子電池應用的早期所發生的事故,仍然讓曾涉入的公司記憶猶新。他們得到了印象深刻的教訓:在任何情況下,都不能超過鋰離子電池的額定參數,否則肯定會引起爆炸或起火。


  除電池的化學成份或電極等參數外,對鋰離子電池來說,還有幾個確定的參數,如果超過了會使電池進入失控的狀態。在解釋這些參數的圖表中(參考鋰離子參數圖),相應閾值曲線外的任一點都是失控狀態。隨電池電壓增加,溫度閾值下降。另一方面,任何致使電池電壓超過其設計值的行為都會導致電池過熱。


  謹防充電器造成危害


  電池組制造商設定了幾層電池和包裝保護,以防止危險的過熱狀態。但在電池使用中有一個部件可能會使這些措施失敗從而造成危害,這一器件就是充電器。


  充電鋰離子電池造成危害的途徑有三種:電池電壓過高(最危險的情況);充電電流過大(過大充電電流造成鋰電鍍效應,從而引起發熱);不能正確地終止充電過程,或在過低的溫度下充電。


  鋰離子電池充電器的設計人員采取額外的預防性措施以避免超出這些參數的允許范圍。以絕對保證系統有關參數工作在安全的范圍內。


  例如智能電池充電器規范,允許-9%的電壓負偏差,但強調正偏差不得超過1%。保證了符合智能電池安全標準。當然,在實際設計中,偏差的正負是隨機的。所以符合此規范的設計經常是使充電器的目標電壓值設定在額定值的-4%附近。


  由于充電電壓的不準確(不管是-4%還是-9%),電池始終處于充電不足的狀態。對鋰離子電池潛在危險的恐懼導致電池組容量的利用率很低。根據業界專家的經驗,即使充電后電壓只比額定值低0.05%,容量的下降卻高達15%。


  電池內置入計算機


  智能電池技術的原理是很簡單的,在電池內置入小型計算機來監視和分析所有的電池數據,以精確預報剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計算機的剩余工作時間。與原始的僅靠電壓監測的容量測量方法相比,可以立即使工作時間延長35%。


  遺憾的是,智能電池技術也就只能做到這么多了。除非可以和充電器電路互相通信,他們不可以確定其操作環境或對充電過程進行控制。


  在“智能電池系統”環境下,在特定的電壓和電流情況下,電池請求智能充電器對其進行充電。然后,智能充電器負責根據請求電壓和電流參數對電池進行充電。


  充電器依靠自己內部的電壓和電流參考調整自己的輸出,以與智能電池請求的值相匹配。由于這些基準的不準確度可達-9%,所以充電過程可能在電池只是部分充電的情況下結束。


  對充電環境的更詳細了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問題。即使在最理想的情況下,假設充電器的精確度為100%,充電通路上位于充電器的電池間的電阻元件引入了額外的壓降,特別是恒流充電階段。這些額外的壓降導致充電過程過早地從恒流進入恒壓階段。


  由于電阻引入的壓降隨電流降低會逐漸減弱,充電器最終會完成充電過程。但充電時間會延長。恒流充電過程中能量的轉移效率要高一些。


  消除電阻壓降


  最理想的情況是充電器的輸出準確地消除了電阻壓降的影響??赡軙腥颂岢鲞@樣的解決方案,在充電過程的所有階段,智能充電器利用智能電池內監測電路數據監視并校正自己的輸出。對單個電池系統來說,這是可行的,但對雙或多電池系統就不太適用了。


  在雙電池系統中,如果可能的話,最好是同時對兩個電池進行充放電操作。雖然電池充電是并行的,典型的只有一個SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因為如果只有一個SMBUS端口,充電器或其它SMBUS設備,只能同時與一個電池進行通信。所以,理想的系統應該提供兩個或更多個SMBUS端口,這樣,兩個電池就可以同時與充電器通信了。


  智能電池系統(SBS)管理器


  除提供多個SMBUS端口以外,SBS管理器技術也可以大幅提升鋰離子智能電池的性能。SBS管理器是SBS的一部分,由SBS1.1規范所定義。它代替了前一版本中定義的智能選擇器(SmartSelector)。


  SBS管理器一方面提供了與驅動器和振作系統端的接口,另一方面則對智能電池和充電器進行管理。驅動器可讀取和請求發送與電池、充電器和管理器本身有關的信息。規范中定義了與這一信息傳輸有關的接口。在一個多電池系統中,SBS管理器負責選擇系統電源,決定在特定的時刻對那一塊電池進行充電或放電。簡短來說就是,SBS管理器確定對哪一塊電池進行充電,哪一塊進行放電,以及什么時候進行。


  一個實現得好的SBS管理有幾大優點:更完全、更快速的充電過程、同時進行高效充電和放電、以及對危險情況(如潛在的電壓超限)的檢測和快速反應能力。


  可以監測電池本身電壓的SBS管理器可將電池充到其真實的容量??梢员苊庥捎谥悄艹潆娖饔捎诒O視電壓不準(如前所述,一般為-4%到-9%)而造成的充電不足。此外,這一過程并不需要特別精確的基準電壓(精確的電壓基準是很昂貴的)。


  避免使用精確電壓基準的策略是利用智能電池內部的測量電路測量電池電壓,其精度可達1%。這樣,SBS管理器可命令充電器適當增高電壓直到監測到的電壓達到合適的值。


  實現得好的SBS管理器可使電池的充電過程比傳統充電器快16%。安全地提高充電器的輸出電壓,使其高于電池的額定電壓以補償由于電池的內部電阻及回路電阻造成的壓降。通過監測電池內部電壓并可迅速調整充電器電壓,可以實現這一過程。

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