數(shù)字化電池及相關(guān)技術(shù)

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(dòng)力部門(mén)、鐵道、軍事中取得了越來(lái)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(duì)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(cè)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(shí)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(cè)量或大概估算，一旦出現(xiàn)誤差，將對(duì)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(duì)蓄電池的電氣性能和壽命造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。
　　
隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)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(gè)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(wú)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(duì)電子設(shè)備的智能化的提高，帶來(lái)了 新的難題。
　　
如果蓄電池能把各種狀態(tài)參數(shù)通過(guò)微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)、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(zhǎng)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(wú)人值守。因此，蓄電池?cái)?shù)字化的研究開(kāi)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(méi)有統(tǒng)一。這個(gè)概念來(lái)源于信息業(yè)的高速發(fā)展，其中主要來(lái)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(shí)候電池沒(méi)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(shí)掌握電池供電的工作狀況，就可以事先有所準(zhǔn)備，及時(shí)的替換。這里所說(shuō)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(shí)間；
　　
       (2) 當(dāng)前電池的內(nèi)阻，剩余容量，剩余充放電時(shí)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(kāi)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(duì)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(dòng)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(gè)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(cè)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(guò)程中具有相應(yīng)的保護(hù)報(bào)警措施(如過(guò)壓保護(hù)，超溫報(bào)警等)；同時(shí)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(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值

數(shù)字化電池首先由國(guó)外開(kāi)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?cái)?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(guó)外研制開(kāi)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(tái)和嵌入式操作系統(tǒng)以及相應(yīng)的程序。國(guó)外有很多的公司和企業(yè)參與數(shù)字化電池的研究開(kāi)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(kāi)發(fā)能被廣大用戶接受數(shù)字化電池。德國(guó)的電池業(yè)巨頭Varta公司和 Duracell公司合作正在開(kāi)發(fā)新一代數(shù)字化電池，這款電池不久就會(huì)面世。

從電池行業(yè)的第十個(gè)五年計(jì)劃得知，美、日、歐占全球電池市場(chǎng)的70％。消耗電池中，美國(guó)年人均達(dá)25只／人；日本年人均達(dá)20只／人。而中國(guó)年人均消耗電池不足7只。所以，電池在中國(guó)有很大的市場(chǎng)。中國(guó)的電池行業(yè)把重點(diǎn)放在了無(wú)汞堿錳電池、氫鎳動(dòng)力電池、鋰離子電池、全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池、車(chē)用動(dòng)力電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池的開(kāi)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(lái)一段時(shí)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(kāi)發(fā)，只有幾種數(shù)字化電池研制品，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出完整的數(shù)字化電池系統(tǒng)。因此，在我國(guó)二次電池?cái)?shù)字化，具有很大的發(fā)展空間。同時(shí)，二次電池?cái)?shù)字化后，人們?cè)谟脭?shù)字化電池供電時(shí)，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(shuō)更科學(xué)的使用電池，不會(huì)對(duì)電池過(guò)放電和過(guò)充電，可以有效的延長(zhǎng)電池的使用壽命；精確的顯示電池?cái)?shù)據(jù)和給主機(jī)提供數(shù)據(jù)，可有效的對(duì)電池各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制和處理；對(duì)電池的最終老化也會(huì)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(jià)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(shí)間及定期全充要求等；
　　
(4)通過(guò)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(gè)高效先進(jìn)的告警系統(tǒng)；
　　
(5)使得電池具有預(yù)測(cè)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(guò)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(guò)與智能化充電機(jī)數(shù)據(jù)交換，可實(shí)現(xiàn)電池型號(hào)識(shí)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(huì)并存一段時(shí)期，直至智能化電池完全取代非智能化電池。因此，對(duì)數(shù)字化電池的開(kāi)發(fā)應(yīng)盡早著手，以盡可能地提高我國(guó)電池工業(yè)水平，做到與國(guó)外同步。通過(guò)大量查閱國(guó)外數(shù)字化電池研究相關(guān)資料，并與有關(guān)專(zhuān)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(kāi)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(guó)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(huì)更有利于我國(guó)數(shù)字化電池的開(kāi)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(kāi)發(fā)或委托其他公司開(kāi)發(fā)數(shù)字化電池，投入少、見(jiàn)效快，同時(shí)也成為電池產(chǎn)品提高了附加值。統(tǒng)一的電池?cái)?shù)字化協(xié)議將有助于他們減少產(chǎn)品品種，相對(duì)提高產(chǎn)量，降低產(chǎn)品售價(jià)。統(tǒng)一的電池?cái)?shù)字化協(xié)議將使各有關(guān)廠商受益，在市場(chǎng)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(duì)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(cè)和控制，為電池的數(shù)字化提供第一手資料，同時(shí)，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(kāi)發(fā)提供借鑒。

(3)數(shù)字化電池的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)。主要對(duì)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?cái)?shù)字化的一項(xiàng)重要內(nèi)容，現(xiàn)有的國(guó)外數(shù)字化電池的通信其標(biāo)準(zhǔn)是：SMBus V2.0。電池的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，按標(biāo)準(zhǔn)格式通過(guò)傳送驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)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(dòng)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(lèi)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(shí)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(guò)對(duì)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(dòng)電子設(shè)備供電。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化電池是二次電源開(kāi)發(fā)應(yīng)用的一個(gè)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(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，不僅會(huì)給電池行業(yè)注入新的活力，更會(huì)對(duì)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。

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