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什么是数字化电池及相关技术

发布时间:2020-07-09 发布时间:
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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。


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