數(shù)字化電池及相關(guān)技術(shù)

1 前言 

　　隨著人們生活水平的提高，二次電池特別是大電流的蓄電池(鉛酸蓄電池、鎳鎘和鎳氫蓄電池)在動力部門、鐵道、軍事中取得了越來越多的應(yīng)用，然而，蓄電池能否可靠的供電，并達(dá)到生產(chǎn)廠規(guī)定的壽命，與對蓄電池的充放電等日常維護(hù)管理正確與否是密切相關(guān)的。由于現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的蓄電池均不帶智能檢測裝置，即不是數(shù)字化蓄電池，所以，蓄電池的充放電電流大小、端電壓大小、充放電時間、充放電次數(shù)、充放電容量、剩余容量、蓄電池內(nèi)部溫度和使用壽命等基本參數(shù)，只能靠人工測量或大概估算，一旦出現(xiàn)誤差，將對我們正常的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的后果，并對蓄電池的電氣性能和壽命造成無法彌補(bǔ)的損失。
　　
　　隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，移動電子設(shè)備就其本身功能而言發(fā)展得很快，目前絕大多數(shù)已數(shù)字化、智能化、內(nèi)部的控制電路或多或少地由ＣＰＵ芯片完成。但是它的供電部分就顯得非常原始，一般情況下僅僅是將一個電池提供的直流電給電子設(shè)備，而電池自身的特性、狀態(tài)等參數(shù)均無法向電子設(shè)備提供，即不能與相關(guān)的電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣就對電子設(shè)備的智能化的提高，帶來了 新的難題。
　　
　　如果蓄電池能把各種狀態(tài)參數(shù)通過微處理器進(jìn)行存儲、記錄、分析、控制、打印及顯示，直觀地提供給有關(guān)人員，并實(shí)現(xiàn)與相關(guān)的電子設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，即實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，這不僅能夠減少人為失誤和延長蓄電池使用壽命，而且能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)電子設(shè)備的智能控制和無人值守。因此，蓄電池數(shù)字化的研究開發(fā)，是一項(xiàng)具有重要意義的課題。

2 數(shù)字化電池的概念

　　數(shù)字化電池的確切定義目前還沒有統(tǒng)一。這個概念來源于信息業(yè)的高速發(fā)展，其中主要來源于世界著名的筆記本電腦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、供應(yīng)商。在實(shí)際應(yīng)用中，一旦關(guān)鍵時候電池沒電，必將產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的損失，數(shù)字化電池的構(gòu)想就是在這種情況下提出的，有了它，我們就能夠及時掌握電池供電的工作狀況，就可以事先有所準(zhǔn)備，及時的替換。這里所說的工作狀況應(yīng)包含以下方面：
　　
　　(1) 當(dāng)前電池的端電壓大小、充放電電流大小，充放電時間；
　　
　　(2) 當(dāng)前電池的內(nèi)阻，剩余容量，剩余充放電時間，電池溫度；
　　
　　(3) 當(dāng)前電池的充放電次數(shù)，使用壽命。
　　
　　在實(shí)際開發(fā)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅了解蓄電池的工作狀態(tài)并不能滿足我們對電池的要求，還需要蓄電池能夠與相關(guān)電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，以實(shí)現(xiàn)電池切換、電池充電等自動控制。
　　
　　由上可知：所謂的數(shù)字化電池，它包含一塊普通可充電電池，一個數(shù)字化電池控制模塊，以及通信接口，完成數(shù)字化電池的各項(xiàng)測控管理和數(shù)據(jù)通信功能。除了能夠?qū)ι鲜龉ぷ鳡顩r以數(shù)字的形式進(jìn)行直觀精確的顯示(或者提供)，還應(yīng)能提供電池的背景訊息和身份數(shù)據(jù)(如電池的制造日期、制造商數(shù)據(jù)等)；在充電過程中具有相應(yīng)的保護(hù)報警措施(如過壓保護(hù)，超溫報警等)；同時它應(yīng)符合某種通信協(xié)議(如系統(tǒng)管理總線SMBus)，具有與主機(jī)、智能充電控制器等通信的接口，能夠進(jìn)行信息傳遞與控制。數(shù)字化電池的結(jié)構(gòu)示意圖如下：

數(shù)字化電池結(jié)構(gòu)示意圖

 3 數(shù)字化電池現(xiàn)狀及開發(fā)應(yīng)用價值

　　數(shù)字化電池首先由國外開始研制。早在1995年，美軍已經(jīng)有數(shù)字化電池裝備部隊(duì)，但這些電池數(shù)字化程度不高，通用性不強(qiáng)。根據(jù)網(wǎng)上有限信息搜集得知，國外研制開發(fā)的數(shù)字化電池主要由可充電電池、控制模塊等組成，其中控制模塊的軟件部分應(yīng)符合特定的通信協(xié)議。由數(shù)字化電池構(gòu)成的數(shù)字化電池系統(tǒng)硬件包括：系統(tǒng)主機(jī)、數(shù)字化電池(可以是一只，也可以是若干只)、智能充電控制器、AC/DC變換器及傳輸數(shù)據(jù)的總線網(wǎng)絡(luò)。軟件包括傳輸數(shù)據(jù)的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理平臺和嵌入式操作系統(tǒng)以及相應(yīng)的程序。國外有很多的公司和企業(yè)參與數(shù)字化電池的研究開發(fā)，Intel公司和Duracell公司聯(lián)合生產(chǎn)數(shù)字化電池，這款產(chǎn)品命名為PowerSmart，符合SBS(智能電池系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)。摩托羅拉公司也在開發(fā)能被廣大用戶接受數(shù)字化電池。德國的電池業(yè)巨頭Varta公司和 Duracell公司合作正在開發(fā)新一代數(shù)字化電池，這款電池不久就會面世。

　　從電池行業(yè)的第十個五年計(jì)劃得知，美、日、歐占全球電池市場的70％。消耗電池中，美國年人均達(dá)25只／人；日本年人均達(dá)20只／人。而中國年人均消耗電池不足7只。所以，電池在中國有很大的市場。中國的電池行業(yè)把重點(diǎn)放在了無汞堿錳電池、氫鎳動力電池、鋰離子電池、全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池、車用動力電池、燃料電池、太陽能電池的開發(fā)和生產(chǎn)上。在部隊(duì)中，二次電池如鎘鎳、氫鎳蓄電池在大量裝備使用，軍用鋰離子蓄電池也在研制中，不久將裝備部隊(duì)，在未來一段時間內(nèi)，將出現(xiàn)三種蓄電池并存的現(xiàn)象。到目前，只有極少數(shù)單位或研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行數(shù)字化電池的研究開發(fā)，只有幾種數(shù)字化電池研制品，還沒有開發(fā)出完整的數(shù)字化電池系統(tǒng)。因此，在我國二次電池數(shù)字化，具有很大的發(fā)展空間。同時，二次電池數(shù)字化后，人們在用數(shù)字化電池供電時，不至于在正常的工作中突然掉電而影響工作和造成一定的損失；可以合理或者說更科學(xué)的使用電池，不會對電池過放電和過充電，可以有效的延長電池的使用壽命；精確的顯示電池數(shù)據(jù)和給主機(jī)提供數(shù)據(jù)，可有效的對電池各個狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制和處理；對電池的最終老化也會有告警提示；所以電池相應(yīng)有了自珍斷能力；構(gòu)成數(shù)字化電池系統(tǒng)就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視電池的使用，并利用可靠的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的能源管理。因而， 數(shù)字化電池也具有很高的推廣應(yīng)用價值。
　　
　　著名的PowerSmart公司列舉了推行數(shù)字化電池的十大理由：
　　
　　(1)防止電池的意外損失及掉電；
　　
　　(2)增強(qiáng)電池使用壽命(提高30%)；
　　
　　(3)更精確的指示充電狀態(tài)，運(yùn)行殘留時間及定期全充要求等；
　　
　　(4)通過全方位監(jiān)視由于環(huán)境、老化及磨損等因素引起的電池狀態(tài)變化，提供一個高效先進(jìn)的告警系統(tǒng)；
　　
　　(5)使得電池具有預(yù)測電池性能及診斷的能力；
　　
　　(6)保證電池控制智能充電以獲得每次充電的飽和度以及最小化的過充等；
　　
　　(7)提高循環(huán)壽命；
　　
　　(8)利用由電池提供的精確信息獲得的高效能源管理系統(tǒng)；
　　
　　(9)獨(dú)立設(shè)計(jì)化學(xué)電池；
　　
　　(10)允許遠(yuǎn)程監(jiān)視電池狀態(tài)。

4 數(shù)字化電池的相關(guān)技術(shù)

　　由于數(shù)字化電池內(nèi)置智能芯片，通過與智能化充電機(jī)數(shù)據(jù)交換，可實(shí)現(xiàn)電池型號識別，剩余容量及循環(huán)次數(shù)顯示等功能，大大提高了電池的性能和使用壽命。智能化鎘鎳蓄電池系列、智能化氫鎳蓄電池系列及智能化鋰離子蓄電池系列將是重要發(fā)展方向。但智能化與非智能化的鎘鎳蓄電池系列和氫鎳蓄電池系列將會并存一段時期，直至智能化電池完全取代非智能化電池。因此，對數(shù)字化電池的開發(fā)應(yīng)盡早著手，以盡可能地提高我國電池工業(yè)水平，做到與國外同步。通過大量查閱國外數(shù)字化電池研究相關(guān)資料，并與有關(guān)專家及生產(chǎn)廠家進(jìn)行研討，筆者認(rèn)為數(shù)字化電池的研究開發(fā)應(yīng)著眼于以下方面：
　　
　　(1)數(shù)字化電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國外數(shù)字化電池己初步形成了某些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比如，數(shù)字化電池與其它控制設(shè)備的通信協(xié)議。我們的數(shù)字化電池要具有兼容性，就要充分了解有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，若能制定出我們自己的完善的體制標(biāo)準(zhǔn)，就會更有利于我國數(shù)字化電池的開發(fā)研制和形成系列產(chǎn)品。如果有統(tǒng)一的數(shù)字化協(xié)議，電池制造商則可以自行開發(fā)或委托其他公司開發(fā)數(shù)字化電池，投入少、見效快，同時也成為電池產(chǎn)品提高了附加值。統(tǒng)一的電池數(shù)字化協(xié)議將有助于他們減少產(chǎn)品品種，相對提高產(chǎn)量，降低產(chǎn)品售價。統(tǒng)一的電池數(shù)字化協(xié)議將使各有關(guān)廠商受益，在市場上實(shí)現(xiàn)多贏的局面。
　　
　　(2)鎘鎳、氫鎳蓄電池及鋰離子蓄電池等電池的特性研究。只有對這些電池的特性有了詳細(xì)的了解，我們才能夠?qū)ζ涓鞣N性能指標(biāo)進(jìn)行檢測和控制，為電池的數(shù)字化提供第一手資料，同時，也可以為智能化充電控制器等相關(guān)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)提供借鑒。

　　(3)數(shù)字化電池的動態(tài)數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)。主要對電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)行數(shù)字量化處理后，得出精確的電壓、容量、內(nèi)阻、溫度數(shù)據(jù)在LCD上顯示或用于通信傳輸。
　　
　　(4)數(shù)據(jù)通信技術(shù)。數(shù)據(jù)通信是實(shí)現(xiàn)電池數(shù)字化的一項(xiàng)重要內(nèi)容，現(xiàn)有的國外數(shù)字化電池的通信其標(biāo)準(zhǔn)是：SMBus V2.0。電池的動態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，按標(biāo)準(zhǔn)格式通過傳送驅(qū)動程序通過接口與其它電子設(shè)備(或者主機(jī))的CPU進(jìn)行源源不斷的數(shù)據(jù)傳輸，如果是數(shù)字化電池系統(tǒng)，主機(jī)就可以根據(jù)電池的當(dāng)前狀況采取相應(yīng)的措施。
　　
　　(5)數(shù)字化電池的智能化充電控制技術(shù)。與數(shù)字化電池相配套的智能充電技術(shù)必須能夠與數(shù)字化電池進(jìn)行通信和實(shí)現(xiàn)自動快速充電控制。目前，先進(jìn)的充電器已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化，充電器的各種操作均由微處理器完成，能夠?qū)崿F(xiàn)電池種類判斷、根據(jù)用戶要求選擇充電電流、多種充滿判定方式、多種保護(hù)措施、電池的充電容量顯示、多路電池同時或順序充電、電池充滿的聲光提示等功能，充電方式可以是恒流、恒流恒壓 并輔以下拉負(fù)脈沖的方式，可以增加電池的維護(hù)功能，通過對電池的維護(hù)提高電池的壽命，并且可以用為交流適配器直接給移動電子設(shè)備供電。

5 結(jié)束語

　　數(shù)字化電池是二次電源開發(fā)應(yīng)用的一個嶄新的課題，數(shù)字化電池的優(yōu)點(diǎn)也是其它非數(shù)字化電池所不能比擬的，它的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用，不僅會給電池行業(yè)注入新的活力，更會對人們的生產(chǎn)和生活提供很多方便，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。