《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能電池系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計
摘要: 鋰離子電池目前已成為筆記本電腦和手持系統(tǒng)能量來源(電源)的首選,。隨著CPU,、顯示器和DVD驅(qū)動器對電源功率的需求持續(xù)增長,高能量密度的電池組也不斷發(fā)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。
Abstract:
Key words :

  鋰離子電池目前已成為筆記本電腦和手持系統(tǒng)能量來源(電源)的首選,。隨著CPU,、顯示器和DVD驅(qū)動器對電源功率的需求持續(xù)增長,高能量密度的電池組也不斷發(fā)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(shù),,在提高性能的同時也增大了系統(tǒng)的功率消耗,。對生產(chǎn)電池的化工企業(yè)來說,電池生產(chǎn)技術(shù)的實質(zhì)性進(jìn)展是很困難的,,耗時長,、成本高。所以必須尋找尋找優(yōu)化電源保存的方法,。智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)" target="_blank">智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" 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title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)" title="智能電池系統(tǒng)">智能電池系統(tǒng)(SBS)是出現(xiàn)的最有希望的技術(shù),可以大大提升電池組的性能,。

  在計算機工業(yè)界,,對鋰離子電池真是又愛又怕。在鋰離子電池應(yīng)用的早期所發(fā)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(xùn):在任何情況下,都不能超過鋰離子電池的額定參數(shù),,否則肯定會引起爆炸或起火,。

  除電池的化學(xué)成份或電極等參數(shù)外,對鋰離子電池來說,,還有幾個確定的參數(shù),,如果超過了會使電池進(jìn)入失控的狀態(tài),。在解釋這些參數(shù)的圖表中(參考鋰離子參數(shù)圖),相應(yīng)閾值曲線外的任一點都是失控狀態(tài),。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(shè)計值的行為都會導(dǎo)致電池過熱。

  謹(jǐn)防充電器造成危害

  電池組制造商設(shè)定了幾層電池和包裝保護(hù),,以防止危險的過熱狀態(tài),。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(yīng),從而引起發(fā)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(shè)計人員采取額外的預(yù)防性措施以避免超出這些參數(shù)的允許范圍,。以絕對保證系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)工作在安全的范圍內(nèi),。

  例如智能電池充電器規(guī)范,允許-9%的電壓負(fù)偏差,,但強調(diào)正偏差不得超過1%,。保證了符合智能電池安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然,,在實際設(shè)計中,,偏差的正負(fù)是隨機的。所以符合此規(guī)范的設(shè)計經(jīng)常是使充電器的目標(biāo)電壓值設(shè)定在額定值的-4%附近,。

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

  電池內(nèi)置入計算機

  智能電池技術(shù)的原理是很簡單的,,在電池內(nèi)置入小型計算機來監(jiān)視和分析所有的電池數(shù)據(jù),以精確預(yù)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(jiān)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(shù)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(huán)境或?qū)Τ潆娺^程進(jìn)行控制,。

  在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)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(jìn)行充電,。然后,,智能充電器負(fù)責(zé)根據(jù)請求電壓和電流參數(shù)對電池進(jìn)行充電。

  充電器依靠自己內(nèi)部的電壓和電流參考調(diào)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(zhǔn)的不準(zhǔn)確度可達(dá)-9%,所以充電過程可能在電池只是部分充電的情況下結(jié)束,。

  對充電環(huán)境的更詳細(xì)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(shè)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(dǎo)致充電過程過早地從恒流進(jìn)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(zhuǎn)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(zhǔn)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(nèi)監(jiān)測電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出,。對單個電池系統(tǒng)來說,這是可行的,,但對雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了,。

  在雙電池系統(tǒng)中,如果可能的話,,最好是同時對兩個電池進(jìn)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(shè)備,只能同時與一個電池進(jìn)行通信,。所以,,理想的系統(tǒng)應(yīng)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,。

 

  鋰離子電池目前已成為筆記本電腦和手持系統(tǒng)能量來源(電源)的首選。隨著CPU,、顯示器和DVD驅(qū)動器對電源功率的需求持續(xù)增長,,高能量密度的電池組也不斷發(fā)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(shù),在提高性能的同時也增大了系統(tǒng)的功率消耗,。對生產(chǎn)電池的化工企業(yè)來說,,電池生產(chǎn)技術(shù)的實質(zhì)性進(jìn)展是很困難的,耗時長,、成本高,。所以必須尋找尋找優(yōu)化電源保存的方法。智能電池系統(tǒng)(SBS)是出現(xiàn)的最有希望的技術(shù),,可以大大提升電池組的性能,。

  在計算機工業(yè)界,對鋰離子電池真是又愛又怕,。在鋰離子電池應(yīng)用的早期所發(fā)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(xùn):在任何情況下,,都不能超過鋰離子電池的額定參數(shù),,否則肯定會引起爆炸或起火。

  除電池的化學(xué)成份或電極等參數(shù)外,,對鋰離子電池來說,,還有幾個確定的參數(shù),如果超過了會使電池進(jìn)入失控的狀態(tài),。在解釋這些參數(shù)的圖表中(參考鋰離子參數(shù)圖),,相應(yīng)閾值曲線外的任一點都是失控狀態(tài)。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(shè)計值的行為都會導(dǎo)致電池過熱,。

  謹(jǐn)防充電器造成危害

  電池組制造商設(shè)定了幾層電池和包裝保護(hù),,以防止危險的過熱狀態(tài),。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(yīng),從而引起發(fā)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(shè)計人員采取額外的預(yù)防性措施以避免超出這些參數(shù)的允許范圍,。以絕對保證系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)工作在安全的范圍內(nèi),。

  例如智能電池充電器規(guī)范,,允許-9%的電壓負(fù)偏差,,但強調(diào)正偏差不得超過1%。保證了符合智能電池安全標(biāo)準(zhǔn),。當(dāng)然,,在實際設(shè)計中,偏差的正負(fù)是隨機的,。所以符合此規(guī)范的設(shè)計經(jīng)常是使充電器的目標(biāo)電壓值設(shè)定在額定值的-4%附近,。

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

  電池內(nèi)置入計算機

  智能電池技術(shù)的原理是很簡單的,,在電池內(nèi)置入小型計算機來監(jiān)視和分析所有的電池數(shù)據(jù),,以精確預(yù)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(jiān)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(shù)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(huán)境或?qū)Τ潆娺^程進(jìn)行控制,。

  在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)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(jìn)行充電,。然后,,智能充電器負(fù)責(zé)根據(jù)請求電壓和電流參數(shù)對電池進(jìn)行充電,。

  充電器依靠自己內(nèi)部的電壓和電流參考調(diào)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(zhǔn)的不準(zhǔn)確度可達(dá)-9%,,所以充電過程可能在電池只是部分充電的情況下結(jié)束。

  對充電環(huán)境的更詳細(xì)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(shè)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(dǎo)致充電過程過早地從恒流進(jìn)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(zhuǎn)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(zhǔn)確地消除了電阻壓降的影響,。可能會有人提出這樣的解決方案,,在充電過程的所有階段,,智能充電器利用智能電池內(nèi)監(jiān)測電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出。對單個電池系統(tǒng)來說,,這是可行的,,但對雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了。

  在雙電池系統(tǒng)中,,如果可能的話,,最好是同時對兩個電池進(jìn)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(shè)備,,只能同時與一個電池進(jìn)行通信,。所以,理想的系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)(SBS)管理器

  除提供多個SMBUS端口以外,,SBS管理器技術(shù)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(guī)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(qū)動器和振作系統(tǒng)端的接口,,另一方面則對智能電池和充電器進(jìn)行管理。驅(qū)動器可讀取和請求發(fā)送與電池,、充電器和管理器本身有關(guān)的信息,。規(guī)范中定義了與這一信息傳輸有關(guān)的接口。在一個多電池系統(tǒng)中,,SBS管理器負(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)電源,,決定在特定的時刻對那一塊電池進(jìn)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(jìn)行充電,,哪一塊進(jìn)行放電,以及什么時候進(jìn)行,。

  一個實現(xiàn)得好的SBS管理有幾大優(yōu)點:更完全,、更快速的充電過程、同時進(jìn)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(yīng)能力,。

  可以監(jiān)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(jiān)視電壓不準(zhǔn)(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(zhǔn)電壓(精確的電壓基準(zhǔn)是很昂貴的),。

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

  實現(xiàn)得好的SBS管理器可使電池的充電過程比傳統(tǒng)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(nèi)部電阻及回路電阻造成的壓降,。通過監(jiān)測電池內(nèi)部電壓并可迅速調(diào)整充電器電壓,,可以實現(xiàn)這一過程。

  何時及如何充電

  SBS管理器可以決定什么時候同時對電池組進(jìn)行充電,。同時充電允許更好地利用充電器的電流進(jìn)行充電,。在單電池系統(tǒng)中,當(dāng)進(jìn)入恒壓充電模式時,,充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小,。沒有用到的電流被浪費掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統(tǒng)中就不是這樣了,,對一塊電池充電時利用不上的電流可以為另一塊所用,。

  而且,,SBS管理器可以判斷哪一塊電池的狀態(tài)可以更快地進(jìn)行能量傳輸??梢宰羁斓卦黾酉到y(tǒng)容量的電池最先被充電,,哪些可以充入更多的能量的電池則先被快速放電。這樣可以加快充電過程達(dá)60%,。SBS管理器還可決定何時使能同時放電功能,。適當(dāng)?shù)耐瑫r放電可以使系統(tǒng)容量增加16%之多。

  當(dāng)然,,所有這些改進(jìn)對電池的性能來說都必須是安全的,。正如前面討論過的一樣,鋰離子電池有一額定電壓,。當(dāng)加到電池上的電壓達(dá)到最大值時,,充電過程從恒流轉(zhuǎn)換至恒壓模式。對這一轉(zhuǎn)換點的檢測,,是由智能充電SBS管理器負(fù)責(zé)的,,根據(jù)是測量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優(yōu)點是,,它可以不斷監(jiān)視和校正充電器以及電池電壓,。這樣在達(dá)到電池的最大容量的情況下還保證了安全。

  由于計算機等設(shè)備性能不斷提高,,能量的需要增長很快,,化學(xué)電池的改進(jìn)還無法趕上這一增長速度。雖然SBS技術(shù)非常有幫助,,但總會有一天僅靠SBS技術(shù)無法提供高性能系統(tǒng)需求的功率,,需要更為智能化的電源管理方案。

  如果那個OEM廠商可以使筆記本電腦持續(xù)工作6個小時而不會明顯地影響到性能,,就會迅速占領(lǐng)市場,。SBS管理器朝這一目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。

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