數字化電池及相關技術

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、特種中取得了越來越多的應用，然而，蓄電池能否可靠的供電，并達到生產廠規定的壽命，與對蓄電池的充放電等日常維護管理正確與否是密切相關的。由于現在廣泛應用的蓄電池均不帶智能檢測裝置，即不是數字化蓄電池，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、充放電容量、剩余容量、蓄電池內部溫度和使用壽命等基本參數，只能靠人工測量或大概估算，一旦出現誤差，將對我們正常的生產和生活產生不可預計的后果，并對蓄電池的電氣性能和壽命造成無法彌補的損失。

隨著微處理器技術的發展，移動電子設備就其本身功能而言發展得很快，目前絕大多數已數字化、智能化、內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備，而電池自身的特性、狀態等參數均無法向電子設備提供，即不能與相關的電子設備進行數據通信。這樣就對電子設備的智能化的提高，帶來了新的難題。

如果蓄電池能把各種狀態參數通過微處理器進行存儲、記錄、分析、控制、打印及顯示，直觀地提供給有關人員，并實現與相關的電子設備的數據通信，即實現數字化，這不僅能夠減少人為失誤和延長蓄電池使用壽命，而且能夠實現相關電子設備的智能控制和無人值守。因此，蓄電池數字化的研究開發，是一項具有重要意義的課題。

2數字化電池的概念

數字化電池的確切定義目前還沒有統一。這個概念來源于信息業的高速發展，其中主要來源于世界著名的筆記本電腦設計、生產、供應商。在實際應用中，一旦關鍵時候電池沒電，必將產生不可預計的損失，數字化電池的構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，就可以事先有所準備，及時的替換。這里所說的工作狀況應包含以下方面：

(1)當前電池的端電壓大小、充放電電流大小，充放電時間；

(2)當前電池的內阻，剩余容量，剩余充放電時間，電池溫度；

(3)當前電池的充放電次數，使用壽命。

在實際開發中，研究人員發現，僅了解蓄電池的工作狀態并不能滿足我們對電池的要求，還需要蓄電池能夠與相關電子設備進行數據傳遞，以實現電池切換、電池充電等自動控制。

由上可知：所謂的數字化電池，它包含一塊普通可充電電池，一個數字化電池控制模塊，以及通信接口，完成數字化電池的各項測控管理和數據通信功能。除了能夠對上述工作狀況以數字的形式進行直觀精確的顯示(或者提供)，還應能提供電池的背景訊息和身份數據(如電池的制造日期、制造商數據等)；在充電過程中具有相應的保護報警措施(如過壓保護，超溫報警等)；同時它應符合某種通信協議(如系統管理總線SMBus)，具有與主機、智能充電控制器等通信的接口，能夠進行信息傳遞與控制。數字化電池的結構示意圖如下：

數字化電池結構示意圖

3數字化電池現狀及開發應用價值

數字化電池首先由國外開始研制。早在1995年，美軍已經有數字化電池裝備特種，但這些電池數字化程度不高，通用性不強。根據網上有限信息搜集得知，國外研制開發的數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符合特定的通信協議。由數字化電池構成的數字化電池系統硬件包括：系統主機、數字化電池(可以是一只，也可以是若干只)、智能充電控制器、AC/DC變換器及傳輸數據的總線網絡。軟件包括傳輸數據的通信協議、數據處理平臺和嵌入式操作系統以及相應的程序。國外有很多的公司和企業參與數字化電池的研究開發，Intel公司和Duracell公司聯合生產數字化電池，這款產品命名為powerSmart，符合SBS(智能電池系統)標準。摩托羅拉公司也在開發能被廣大用戶接受數字化電池。德國的電池業巨頭Varta公司和Duracell公司合作正在開發新一代數字化電池，這款電池不久就會面世。

從電池行業的第十個五年計劃得知，美、日、歐占全球電池市場的70％。消耗電池中，美國年人均達25只／人；日本年人均達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。中國的電池行業把重點放在了無汞堿錳電池、氫鎳動力電池、鋰離子電池、全密封免維護鉛酸蓄電池、車用動力電池、燃料電池、太陽能電池的開發和生產上。在特種中，二次電池如鎘鎳、氫鎳蓄電池在大量裝備使用，特種鋰離子蓄電池也在研制中，不久將裝備特種，在未來一段時間內，將出現三種蓄電池并存的現象。到目前，只有極少數單位或研究機構在進行數字化電池的研究開發，只有幾種數字化電池研制品，還沒有開發出完整的數字化電池系統。因此，在我國二次電池數字化，具有很大的發展空間。同時，二次電池數字化后，人們在用數字化電池供電時，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；精確的顯示電池數據和給主機提供數據，可有效的對電池各個狀態進行相應的控制和處理；對電池的最終老化也會有告警提示；所以電池相應有了自珍斷能力；構成數字化電池系統就可以進行遠程監視電池的使用，并利用可靠的數據進行高效的能源管理。因而，數字化電池也具有很高的推廣應用價值。

著名的powerSmart公司列舉了推行數字化電池的十大理由：

(1)防止電池的意外損失及掉電；

(2)增強電池使用壽命(提高30%)；

(3)更精確的指示充電狀態，運行殘留時間及定期全充要求等；

(4)通過全方位監視由于環境、老化及磨損等因素引起的電池狀態變化，提供一個高效先進的告警系統；

(5)使得電池具有預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；

(9)獨立設計化學電池；

(10)允許遠程監視電池狀態。

4數字化電池的相關技術

由于數字化電池內置智能芯片，通過與智能化充電機數據交換，可實現電池型號識別，剩余容量及循環次數顯示等功能，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，對數字化電池的開發應盡早著手，以盡可能地提高我國電池工業水平，做到與國外同步。通過大量查閱國外數字化電池研究相關資料，并與有關專家及生產廠家進行研討，筆者認為數字化電池的研究開發應著眼于以下方面：

(1)數字化電池的相關標準。國外數字化電池己初步形成了某些行業標準，比如，數字化電池與其它控制設備的通信協議。我們的數字化電池要具有兼容性，就要充分了解有關標準協議，若能制定出我們自己的完善的體制標準，就會更有利于我國數字化電池的開發研制和形成系列產品。如果有統一的數字化協議，電池制造商則可以自行開發或委托其他公司開發數字化電池，投入少、見效快，同時也成為電池產品提高了附加值。統一的電池數字化協議將有助于他們減少產品品種，相對提高產量，降低產品售價。統一的電池數字化協議將使各有關廠商受益，在市場上實現多贏的局面。

(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的了解，我們才能夠對其各種性能指標進行檢測和控制，為電池的數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電子設備的設計開發提供借鑒。

(3)數字化電池的動態數據采集處理技術。主要對電池電壓、電流、溫度等數據進行采集，進行數字量化處理后，得出精確的電壓、容量、內阻、溫度數據在LCD上顯示或用于通信傳輸。

(4)數據通信技術。數據通信是實現電池數字化的一項重要內容，現有的國外數字化電池的通信其標準是：SMBusV2.0。電池的動態數據經過處理后，按標準格式通過傳送驅動程序通過接口與其它電子設備(或者主機)的CpU進行源源不斷的數據傳輸，如果是數字化電池系統，主機就可以根據電池的當前狀況采取相應的措施。

(5)數字化電池的智能化充電控制技術。與數字化電池相配套的智能充電技術必須能夠與數字化電池進行通信和實現自動快速充電控制。目前，先進的充電器已實現數字化、智能化，充電器的各種操作均由微處理器完成，能夠實現電池種類判斷、根據用戶要求選擇充電電流、多種充滿判定方式、多種保護措施、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脈沖的方式，可以增加電池的維護功能，通過對電池的維護提高電池的壽命，并且可以用為交流適配器直接給移動電子設備供電。

5結束語

數字化電池是二次電源開發應用的一個嶄新的課題，數字化電池的優點也是其它非數字化電池所不能比擬的，它的研究開發和推廣應用，不僅會給電池行業注入新的活力，更會對人們的生產和生活提供很多方便，具有重要的現實意義。