数字化电池及相关技术

1 前言 

　　随着人们生活水平的提高，二次电池特别是大电流的蓄电池(铅酸蓄电池、镍镉和镍氢蓄电池)在动力部门、铁道、军事中取得了越来越多的应用，然而，蓄电池能否可靠的供电，并达到生产厂规定的寿命，与对蓄电池的充放电等日常维护管理正确与否是密切相关的。由于现在广泛应用的蓄电池均不带智能检测装置，即不是数字化蓄电池，所以，蓄电池的充放电电流大小、端电压大小、充放电时间、充放电次数、充放电容量、剩余容量、蓄电池内部温度和使用寿命等基本参数，只能靠人工测量或大概估算，一旦出现误差，将对我们正常的生产和生活产生不可预计的后果，并对蓄电池的电气性能和寿命造成无法弥补的损失。
　　
　　随着微处理器技术的发展，移动电子设备就其本身功能而言发展得很快，目前绝大多数已数字化、智能化、内部的控制电路或多或少地由ＣＰＵ芯片完成。但是它的供电部分就显得非常原始，一般情况下仅仅是将一个电池提供的直流电给电子设备，而电池自身的特性、状态等参数均无法向电子设备提供，即不能与相关的电子设备进行数据通信。这样就对电子设备的智能化的提高，带来了 新的难题。
　　
　　如果蓄电池能把各种状态参数通过微处理器进行存储、记录、分析、控制、打印及显示，直观地提供给有关人员，并实现与相关的电子设备的数据通信，即实现数字化，这不仅能够减少人为失误和延长蓄电池使用寿命，而且能够实现相关电子设备的智能控制和无人值守。因此，蓄电池数字化的研究开发，是一项具有重要意义的课题。

2 数字化电池的概念

　　数字化电池的确切定义目前还没有统一。这个概念来源于信息业的高速发展，其中主要来源于世界著名的笔记本电脑设计、生产、供应商。在实际应用中，一旦关键时候电池没电，必将产生不可预计的损失，数字化电池的构想就是在这种情况下提出的，有了它，我们就能够及时掌握电池供电的工作状况，就可以事先有所准备，及时的替换。这里所说的工作状况应包含以下方面：
　　
　　(1) 当前电池的端电压大小、充放电电流大小，充放电时间；
　　
　　(2) 当前电池的内阻，剩余容量，剩余充放电时间，电池温度；
　　
　　(3) 当前电池的充放电次数，使用寿命。
　　
　　在实际开发中，研究人员发现，仅了解蓄电池的工作状态并不能满足我们对电池的要求，还需要蓄电池能够与相关电子设备进行数据传递，以实现电池切换、电池充电等自动控制。
　　
　　由上可知：所谓的数字化电池，它包含一块普通可充电电池，一个数字化电池控制模块，以及通信接口，完成数字化电池的各项测控管理和数据通信功能。除了能够对上述工作状况以数字的形式进行直观精确的显示(或者提供)，还应能提供电池的背景讯息和身份数据(如电池的制造日期、制造商数据等)；在充电过程中具有相应的保护报警措施(如过压保护，超温报警等)；同时它应符合某种通信协议(如系统管理总线SMBus)，具有与主机、智能充电控制器等通信的接口，能够进行信息传递与控制。数字化电池的结构示意图如下：

数字化电池结构示意图

 3 数字化电池现状及开发应用价值

　　数字化电池首先由国外开始研制。早在1995年，美军已经有数字化电池装备部队，但这些电池数字化程度不高，通用性不强。根据网上有限信息搜集得知，国外研制开发的数字化电池主要由可充电电池、控制模块等组成，其中控制模块的软件部分应符合特定的通信协议。由数字化电池构成的数字化电池系统硬件包括：系统主机、数字化电池(可以是一只，也可以是若干只)、智能充电控制器、AC/DC变换器及传输数据的总线网络。软件包括传输数据的通信协议、数据处理平台和嵌入式操作系统以及相应的程序。国外有很多的公司和企业参与数字化电池的研究开发，Intel公司和Duracell公司联合生产数字化电池，这款产品命名为PowerSmart，符合SBS(智能电池系统)标准。摩托罗拉公司也在开发能被广大用户接受数字化电池。德国的电池业巨头Varta公司和 Duracell公司合作正在开发新一代数字化电池，这款电池不久就会面世。

　　从电池行业的第十个五年计划得知，美、日、欧占全球电池市场的70％。消耗电池中，美国年人均达25只／人；日本年人均达20只／人。而中国年人均消耗电池不足7只。所以，电池在中国有很大的市场。中国的电池行业把重点放在了无汞碱锰电池、氢镍动力电池、锂离子电池、全密封免维护铅酸蓄电池、车用动力电池、燃料电池、太阳能电池的开发和生产上。在部队中，二次电池如镉镍、氢镍蓄电池在大量装备使用，军用锂离子蓄电池也在研制中，不久将装备部队，在未来一段时间内，将出现三种蓄电池并存的现象。到目前，只有极少数单位或研究机构在进行数字化电池的研究开发，只有几种数字化电池研制品，还没有开发出完整的数字化电池系统。因此，在我国二次电池数字化，具有很大的发展空间。同时，二次电池数字化后，人们在用数字化电池供电时，不至于在正常的工作中突然掉电而影响工作和造成一定的损失；可以合理或者说更科学的使用电池，不会对电池过放电和过充电，可以有效的延长电池的使用寿命；精确的显示电池数据和给主机提供数据，可有效的对电池各个状态进行相应的控制和处理；对电池的最终老化也会有告警提示；所以电池相应有了自珍断能力；构成数字化电池系统就可以进行远程监视电池的使用，并利用可靠的数据进行高效的能源管理。因而， 数字化电池也具有很高的推广应用价值。
　　
　　著名的PowerSmart公司列举了推行数字化电池的十大理由：
　　
　　(1)防止电池的意外损失及掉电；
　　
　　(2)增强电池使用寿命(提高30%)；
　　
　　(3)更精确的指示充电状态，运行残留时间及定期全充要求等；
　　
　　(4)通过全方位监视由于环境、老化及磨损等因素引起的电池状态变化，提供一个高效先进的告警系统；
　　
　　(5)使得电池具有预测电池性能及诊断的能力；
　　
　　(6)保证电池控制智能充电以获得每次充电的饱和度以及最小化的过充等；
　　
　　(7)提高循环寿命；
　　
　　(8)利用由电池提供的精确信息获得的高效能源管理系统；
　　
　　(9)独立设计化学电池；
　　
　　(10)允许远程监视电池状态。

4 数字化电池的相关技术

　　由于数字化电池内置智能芯片，通过与智能化充电机数据交换，可实现电池型号识别，剩余容量及循环次数显示等功能，大大提高了电池的性能和使用寿命。智能化镉镍蓄电池系列、智能化氢镍蓄电池系列及智能化锂离子蓄电池系列将是重要发展方向。但智能化与非智能化的镉镍蓄电池系列和氢镍蓄电池系列将会并存一段时期，直至智能化电池完全取代非智能化电池。因此，对数字化电池的开发应尽早着手，以尽可能地提高我国电池工业水平，做到与国外同步。通过大量查阅国外数字化电池研究相关资料，并与有关专家及生产厂家进行研讨，笔者认为数字化电池的研究开发应着眼于以下方面：
　　
　　(1)数字化电池的相关标准。国外数字化电池己初步形成了某些行业标准，比如，数字化电池与其它控制设备的通信协议。我们的数字化电池要具有兼容性，就要充分了解有关标准协议，若能制定出我们自己的完善的体制标准，就会更有利于我国数字化电池的开发研制和形成系列产品。如果有统一的数字化协议，电池制造商则可以自行开发或委托其他公司开发数字化电池，投入少、见效快，同时也成为电池产品提高了附加值。统一的电池数字化协议将有助于他们减少产品品种，相对提高产量，降低产品售价。统一的电池数字化协议将使各有关厂商受益，在市场上实现多赢的局面。
　　
　　(2)镉镍、氢镍蓄电池及锂离子蓄电池等电池的特性研究。只有对这些电池的特性有了详细的了解，我们才能够对其各种性能指标进行检测和控制，为电池的数字化提供第一手资料，同时，也可以为智能化充电控制器等相关电子设备的设计开发提供借鉴。

　　(3)数字化电池的动态数据采集处理技术。主要对电池电压、电流、温度等数据进行采集，进行数字量化处理后，得出精确的电压、容量、内阻、温度数据在LCD上显示或用于通信传输。
　　
　　(4)数据通信技术。数据通信是实现电池数字化的一项重要内容，现有的国外数字化电池的通信其标准是：SMBus V2.0。电池的动态数据经过处理后，按标准格式通过传送驱动程序通过接口与其它电子设备(或者主机)的CPU进行源源不断的数据传输，如果是数字化电池系统，主机就可以根据电池的当前状况采取相应的措施。
　　
　　(5)数字化电池的智能化充电控制技术。与数字化电池相配套的智能充电技术必须能够与数字化电池进行通信和实现自动快速充电控制。目前，先进的充电器已实现数字化、智能化，充电器的各种操作均由微处理器完成，能够实现电池种类判断、根据用户要求选择充电电流、多种充满判定方式、多种保护措施、电池的充电容量显示、多路电池同时或顺序充电、电池充满的声光提示等功能，充电方式可以是恒流、恒流恒压 并辅以下拉负脉冲的方式，可以增加电池的维护功能，通过对电池的维护提高电池的寿命，并且可以用为交流适配器直接给移动电子设备供电。

5 结束语

　　数字化电池是二次电源开发应用的一个崭新的课题，数字化电池的优点也是其它非数字化电池所不能比拟的，它的研究开发和推广应用，不仅会给电池行业注入新的活力，更会对人们的生产和生活提供很多方便，具有重要的现实意义。