Как работает умная батарея?

Аккумулятор как «дикое животное»

Один из докладчиков на конференции, посвященной аккумуляторам, однажды сказал: «Аккумулятор — это дикое животное, и искусственный интеллект его одомашнивает». Аккумулятор выглядит одинаково в любом состоянии: полностью заряженный или разряженный, новый или требующий замены. В отличие от автомобильной шины, которая визуально сигнализирует о своем состоянии, аккумулятор скрывает свои проблемы.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Основные проблемы

Недостатки аккумулятора можно свести к трем проблемам: [1] пользователь не знает оставшееся время работы; [2] неизвестно, сможет ли аккумулятор обеспечить нужную мощность; [3] зарядное устройство должно быть совместимо с конкретным размером и химическим составом батареи. Часть этих проблем призван решить «умный» аккумулятор.

Проблема «топливного бака»

Пользователи аккумуляторов представляют себе аккумуляторный блок как устройство для хранения энергии, напоминающее топливный бак, который выдает жидкое топливо. Для упрощения, аккумулятор можно рассматривать как таковой; однако измерение накопленной энергии в электрохимическом устройстве гораздо сложнее.

В то время как обычный указатель уровня топлива измеряет вход и выход жидкости из резервуара известного размера с минимальными потерями, указатель уровня заряда аккумулятора имеет неподтвержденные определения и показывает только напряжение холостого хода (OCV), которое является непостоянным отражением состояния заряда (SoC). Проблема усугубляется тем, что аккумулятор – это протекающий и сжимающийся сосуд, который теряет энергию и поглощает меньше содержимого с каждым зарядом. С уменьшением емкости указанный показатель емкости в А·ч (ампер-часах) больше не соответствует действительности. Также указатель уровня заряда не может самостоятельно оценить емкость; показания всегда показывают полный заряд после перезарядки, даже если емкость упала до половины указанного показателя емкости в А·ч.

Методы измерения SoC

Самый простой метод измерения состояния заряда – это считывание напряжения, но это может быть неточным, поскольку токи нагрузки снижают напряжение во время разряда. Самой большой проблемой является плоская кривая напряжения разряда на большинстве литиевых и никелевых аккумуляторов. Температура также играет определенную роль; тепло повышает напряжение, а холодная окружающая среда снижает его. Возбуждение от предыдущего заряда или разряда приводит к дальнейшим ошибкам, и аккумулятору требуется несколько часов отдыха для нейтрализации.

Умные аккумуляторы

Большинство аккумуляторов для медицинских, военных и компьютерных устройств являются «умными». Это означает, что между аккумулятором, оборудованием и пользователем происходит определенный уровень связи. Определения термина «умный» различаются в зависимости от производителя и регуляторных органов, и самый простой умный аккумулятор может содержать лишь чип, который настраивает зарядное устройство на правильный алгоритм зарядки. По мнению форума Smart Battery System (SBS), такие аккумуляторы нельзя назвать умными. На форуме SBS указано, что умный аккумулятор должен обеспечивать индикацию состояния заряда.

Безопасность является ключевой целью проектирования, а концепция SBS заключается в размещении системного интеллекта внутри аккумуляторного блока. Таким образом, аккумулятор SBS взаимодействует с микросхемой управления зарядом в замкнутом цикле. Несмотря на этот цифровой контроль, большинство зарядных устройств SBS также полагаются на аналоговые сигналы от химического аккумулятора для завершения заряда, когда аккумулятор полностью заряжен. Кроме того, из соображений безопасности добавлено избыточное измерение температуры.

Benchmarq была первой компанией, которая предложила технологию указателя уровня заряда в 1990 году. Сегодня многие производители предлагают интегральные схемы (ИС) в однопроводных и двухпроводных системах, также известных как шина управления системой (SMBus).

Кулоновский подсчет

Оценка состояния заряда в интеллектуальном аккумуляторе обычно включает кулоновский подсчет, теорию, которая существует 250 лет, с тех пор как Шарль-Огюстен де Кулон впервые установил «закон Кулона». На рисунке 1 иллюстрируется принцип кулоновского подсчета, измерение потока энергии входящего и выходящего. Один кулон (1 Кл) в секунду равен одному амперу (1 А). Разрядка аккумулятора током 1 А в течение одного часа равна 3600 Кл. (Не путать с C-rate.)

Рисунок 1: Принцип работы указателя уровня заряда на основе кулоновского подсчета
Схема измеряет энергию, поступающую и выходящую; накопленная энергия отражает состояние заряда. Один кулон в секунду равен одному амперу (1 А).

Кулоновский подсчет должен быть безупречным, но случаются ошибки. Например, если аккумулятор заряжался в течение 1 часа током 1 ампер, то при разряде должно быть доступно такое же количество энергии, а ни один аккумулятор не может этого обеспечить. Неэффективность принятия заряда, особенно ближе к концу заряда и особенно при быстрой зарядке, снижает энергоэффективность. Потери также происходят во время хранения и разряда. Доступная энергия всегда меньше той, что была подана в аккумулятор.

Однопроводная шина

Однопроводная система, также известная как 1-Wire, осуществляет связь через один провод с низкой скоростью. Разработанная Dallas Semiconductor Corp., 1-Wire объединяет данные и тактовый сигнал в одну линию для передачи; Манчестерский код, также известный как фазовое кодирование, разделяет данные на приемном конце. Из соображений безопасности большинство аккумуляторов также используют отдельный провод для измерения температуры. На рисунке 2 показана схема однопроводной системы.

Рисунок 2: Однопроводная система «умного» аккумулятора ^[1]
Один провод обеспечивает передачу данных. Из соображений безопасности большинство аккумуляторов также имеют отдельный провод для измерения температуры.

Однопроводная система хранит код аккумулятора и отслеживает данные об аккумуляторе, которые обычно включают информацию о напряжении, токе, температуре и состоянии заряда. Из-за относительно низкой стоимости оборудования, однопроводная система привлекательна для бюджетных устройств, таких как измерительные приборы, мобильные телефоны, рации двусторонней связи, камеры и сканеры.

Большинство однопроводных систем имеют собственный протокол и используют специализированное зарядное устройство. Например, однопроводное решение Benchmarq не может напрямую измерять ток; измерение состояния (SoH) возможно только при «подключении» хоста к предназначенному аккумулятору.

Шина управления системой

Шина управления системой (SMBus) представляет собой согласованные усилия по унификации одного протокола связи и одного набора данных. Производная от I2C, система интеллектуальных аккумуляторов Duracell/Intel была стандартизирована в 1995 году и состоит из двух отдельных линий для данных и тактовой частоты. I2C (межмикросхемная шина) — это многомастерная, многоведомая, односторонняя последовательная компьютерная шина, изобретенная компанией Philips Semiconductor. На рисунке 3 показана схема двухпроводной системы SMBus.

Рисунок 3: Двухпроводная система SMBus
SMBus работает по двухпроводной системе, используя стандартизированный протокол связи.
Эта система подходит для стандартизированных измерений состояния заряда и исправности.

Философия аккумулятора SMBus заключалась в том, чтобы перенести управление зарядом с зарядного устройства и возложить его на аккумулятор. В настоящей системе SMBus аккумулятор становится главным, а зарядное устройство – подчиненным, которое выполняет команды аккумулятора. Это позволяет универсальному зарядному устройству обслуживать современные и будущие химические составы аккумуляторов, применяя правильные алгоритмы зарядки.

BMS для литиевых АКБ

Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока

Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart

Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron

Купить

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron

 Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.

Купить

Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy

Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!

Купить

Посмотреть больше

В течение 1990-х годов появилось несколько стандартизированных аккумуляторных блоков SMBus, в частности 35 и 202 (рис. 4). Произведенные Sony, Hitachi, GP Batteries и другими, эти сменные аккумуляторы были разработаны для питания широкого спектра портативных устройств, таких как ноутбуки и медицинские инструменты. Идея была надежной, но стандартизация разошлась, поскольку большинство производителей начали создавать собственные блоки.

Чтобы предотвратить попадание на рынок неавторизованных аккумуляторов, некоторые производители добавляют код, исключающий других поставщиков аккумуляторов. Некоторые производители даже аннулируют аккумулятор после достижения определенного количества циклов. Чтобы избежать неожиданностей, большинство этих систем информируют пользователя о предстоящем конце срока службы.

Рисунок 4: Аккумуляторы серий 35 и 202 с шиной SMBus Доступные в никелевых и литиевых вариантах, эти аккумуляторы питают ноутбуки, биомедицинские приборы и геодезическое оборудование.
Также доступны версии без шины SMBus («немые» версии) с таким же размером.

Аккумулятор SMBus содержит постоянные и временные данные. Производитель аккумулятора программирует в аккумулятор постоянные данные, которые включают идентификатор аккумулятора, тип аккумулятора, название производителя, серийный номер и дату производства. Временные данные добавляются во время использования и содержат количество циклов, схему использования и требования к обслуживанию. Некоторая информация сохраняется, тогда как другая обновляется в течение всего срока службы аккумулятора. Напряжение обычно измеряется с шагом 1 мВ; разрешение по току составляет 0,5 мА, точность измерения температуры составляет примерно ±3º C.

Зарядка SMBus уровня 2 и 3

Умные зарядные устройства для аккумуляторов делятся на уровни 1, 2 и 3. Уровень 1 был прекращен, поскольку он не обеспечивал зарядку, независимо от химического состава, и поддерживал только один химический элемент. Зарядное устройство уровня 2 полностью контролируется умным аккумулятором и действует как ведомое устройство шины SMBus, реагируя на команды напряжения и тока от умного аккумулятора. Уровень 2 также служит для внутрисхемной зарядки, практика, распространенная в ноутбуках. Другое использование - это аккумулятор со встроенной схемой зарядки. На уровне 2 аккумулятор и схема соединены между собой.

Зарядное устройство 3-го уровня может интерпретировать команды от умного аккумулятора, как это делается с уровнем 2, а также выступать в роли главного устройства. Другими словами, зарядное устройство 3-го уровня может запрашивать информацию о зарядке от умного аккумулятора, но оно также может навязывать свой собственный алгоритм зарядки, реагируя на «химический» аккумулятор. Большинство промышленных умных зарядных устройств основаны на гибридном типе уровня 3.

Появились некоторые более дешевые зарядные устройства, которые поддерживают аккумуляторы SMBus, но они могут не полностью соответствовать стандарту SBS. Производители аккумуляторов SMBus не поддерживают этот сокращенный способ из-за соображений безопасности. Такие применения, как биомедицинские приборы, устройства сбора данных и геодезическое оборудование, склоняются к зарядным устройствам 3-го уровня с полноценными протоколами зарядки. В таблице 5 перечислены преимущества и ограничения интеллектуального аккумулятора.