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Victron智能电池如何工作？

时间：2023-02-02 14:12:22 点击：次

电池的缺点可以概括为以下三个问题： [1] 用户不知道电池组还剩多少运行时间；[2] 主机不确定电池是否能满足电源需求；[3] 充电器必须适合每个电池的尺寸和化学性质。解决方案很复杂，“智能”电池有望减少其中的一些缺陷。

电池用户将电池组想象成一种储能装置，类似于分配液体燃料的燃料箱。为简单起见，电池可以这样看；然而，测量电化学装置储存的能量要复杂得多。

普通电量计以最小的损失测量从已知尺寸的储罐流入和流出的液体，而电池电量计的定义未经证实，仅显示开路电压 (OCV)，这是状态变化无常的反映收费 (SoC)。使问题更加复杂的是，电池是一个漏水和收缩的容器，每次充电都会损失能量并减少容量。随着容量的减少，指定的 Ah（安培小时）额定值不再适用。电量计也不能自行评估容量；即使容量下降到指定 Ah 的一半，充电后读数始终显示已满。

测量充电状态最简单的方法是读取电压，但这种方法可能不准确，因为负载电流会在放电期间拉低电压。最大的挑战是大多数锂基和镍基电池的平坦放电电压曲线。温度也有影响；热量会升高电压，而寒冷的环境会降低电压。先前充电或放电引起的搅动会导致进一步的错误，电池需要休息几个小时才能中和。（参见BU-903：如何测量状态电荷）

大多数用于医疗、军事和计算设备的电池都是“智能”电池。这意味着电池、设备和用户之间会发生某种程度的通信。“智能”的定义因制造商和监管机构而异，最基本的智能电池可能只包含一个芯片，可以将充电器设置为正确的充电算法。在智能电池系统（SBS）论坛看来，这些电池都称不上智能。SBS 论坛指出，智能电池必须提供充电状态指示。

安全是一个关键的设计目标，SBS 背后的概念是将系统智能置于电池组中。因此，SBS 电池与充电管理芯片形成闭环通信。尽管有这种数字监控，但大多数 SBS 充电器还依靠来自化学电池的模拟信号在电池充满时终止充电。此外，出于安全原因，添加了冗余温度感测。

Benchmarq 于 1990 年成为第一家提供电量计技术的公司。如今，许多制造商提供单线和双线系统（也称为系统管理总线 (SMBus)）中的集成电路 (IC) 芯片。

智能电池的充电状态估计通常包括库仑计数，这一理论可以追溯到 250 年前，当时 Charles-Augustin de Coulomb 首次建立了“库仑规则”。图 1说明了库仑计数的原理，即测量流入和流出的流动能量。每秒一库仑 (1C) 等于一安培 (1A)。以 1A 电流为电池放电一小时相当于 3,600C。（不要与C-rate混淆。）

基于库仑计数的电量计原理 — 图 1：基于库仑计数的电量计原理^[1]
电路测量流入和流出的能量；存储的能量代表充电状态。每秒一库仑等于一安培 (1A)。

库仑计数应该是完美无缺的，但会出现错误。例如，如果电池以 1 安培的电流充电 1 小时，则放电时应提供相同数量的能量，而没有电池可以提供这种能量。充电接受效率低下，尤其是在充电即将结束时，尤其是在快速充电的情况下，会降低能量效率。损失也发生在储存和排放过程中。可用能量总是少于输入电池的能量。

单线总线

单线系统，也称为 1-Wire，通过一根线以低速进行通信。1-Wire由Dallas Semiconductor Corp.设计，将数据和时钟合二为一进行传输；曼彻斯特码，也称为相位编码，在接收端分离数据。出于安全原因，大多数电池还使用单独的电线进行温度感应。图 2显示了单线系统的布局。

“智能”电池的单线系统 — 图 2：“智能”电池的单线系统^[1]
单线提供数据通信。出于安全原因，大多数电池还有一根单独的温度感应线。

单线系统存储电池代码并跟踪电池数据，这些数据通常包括电压、电流、温度和充电状态信息。由于硬件成本相对较低，单线系统对价格敏感的设备很有吸引力，例如测量仪器、移动电话、双向无线电、照相机和扫描仪。

大多数单线系统都有自己的协议并使用定制的充电器。例如，Benchmarq 单线解决方案无法直接测量电流；健康状态 (SoH) 测量只有在将主机“嫁给”指定电池时才有可能。

系统管理总线

系统管理总线 (SMBus) 代表了就一种通信协议和一组数据达成一致的一致努力。金霸王/英特尔智能电池系统源自 I2C，于 1995 年标准化，由两条独立的数据线和时钟线组成。I2C（Inter-Integrated Circuit）是飞利浦半导体发明的一种多主、多从、单端、串行的计算机总线。图 3显示了两线 SMBus 系统的布局。

两线 SMBus 系统 — 图 3：两线 SMBus 系统 [1]
SMBus 在使用标准化通信协议的两线系统上工作。
该系统适用于标准化的充电状态和健康状态测量。

SMBus 电池背后的理念是从充电器中移除充电控制并将其分配给电池。在真正的 SMBus 系统中，电池成为主机，而充电器成为服从电池命令的从机。这使得通用充电器能够通过应用正确的充电算法为当前和未来的电池化学提供服务。

在 1990 年代，出现了几种标准化的 SMBus 电池组，包括 35 和 202（图 4）。这些可互换电池由 Sony、Hitachi、GP Batteries 和其他公司制造，旨在为各种便携式设备供电，例如笔记本电脑和医疗仪器。这个想法是可靠的，但随着大多数制造商开始构建自己的包装，标准化出现了分歧。

为了防止未经授权的电池渗入市场，一些制造商添加代码以排除其他电池组供应商。一些制造商甚至在达到给定的循环计数时使电池失效。为避免意外，这些系统中的大多数都会通知用户生命周期即将结束。

具有 SMBus 的 35 和 202 系列电池 — 图 4：采用 SMBus 的 35 和 202 系列电池^[1]这些电池采用镍基和锂基化学物质，可为笔记本电脑、生物医学仪器和调查设备供电。
还提供具有相同封装的非 SMBus（哑）版本。

SMBus 电池包含永久和临时数据。电池制造商将永久数据编程到电池中，包括电池 ID、电池类型、制造商名称、序列号和制造日期。临时数据是在使用过程中添加的，包含循环计数、使用模式和维护要求。一些信息会保留下来，而其他数据会在电池的整个使用寿命期间更新。电压通常以 1mV 的增量测量；电流分辨率为0.5mA；温度精度约为±3ºC。

SMBus 2 级和 3 级充电

智能电池充电器分为 1 级、2 级和 3 级。1 级已停产，因为它不提供与化学无关的充电并且仅支持单一化学。2 级充电器完全由智能电池控制，并充当 SMBus 从设备，响应来自智能电池的电压和电流命令。2 级还用作电路内充电，这在笔记本电脑中很常见。另一种用途是内置充电电路的电池。在级别 2 中，电池和电路相互结合。

3 级充电器可以解释来自智能电池的命令，就像 2 级一样，也可以充当主机。换句话说，3 级充电器可以从智能电池请求充电信息，但它也可以通过响应“化学”电池来施加自己的充电算法。大多数工业智能充电器都是基于混合型 Level 3。

已经出现了一些适用于 SMBus 电池的低成本充电器，但这些充电器可能不完全符合 SBS 标准。出于安全考虑，SMBus 电池制造商不认可这种捷径。生物医学仪器、数据收集设备和调查设备等应用倾向于使用成熟的充电协议的 3 级充电器。表 5列出了智能电池的优点和局限性。

好处	提供充电状态和完全充电容量，反映容量估计。将充电器配置为正确的算法。提醒用户定期服务。保护电池免遭未经授权的使用。
限制	电池成本增加 25%。（电量计 IC 在 2 美元范围内）使充电器复杂化；大多数智能电池充电器都是混合型的，也可用于非智能电池。需要定期校准。读数仅显示充电状态，而不显示实际运行时间。

表 5：智能电池的优点和局限性

使用智能电池的简单指南

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