Як працює розумна батарея?

Акумулятор як «дика тварина»

Один з доповідачів на конференції, присвяченій акумуляторам, якось сказав: «Акумулятор — це дика тварина, і штучний інтелект його одомашнює». Акумулятор виглядає однаково у будь-якому стані: повністю заряджений чи розряджений, новий чи такий, що потребує заміни. На відміну від автомобільної шини, яка візуально сигналізує про свій стан, акумулятор приховує свої проблеми.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Основні проблеми

Недоліки акумулятора можна підсумувати трьома проблемами: [1] користувач не знає залишковий час роботи; [2] невідомо, чи зможе акумулятор забезпечити потрібну потужність; [3] зарядний пристрій має бути сумісним із конкретним розміром і хімічним складом батареї. Частину цих проблем покликаний вирішити «розумний» акумулятор.

Проблема «паливного бака»

Користувачі акумуляторів уявляють собі акумуляторний блок як пристрій для зберігання енергії, що нагадує паливний бак, що видає рідке паливо. Для спрощення, акумулятор можна розглядати як такий; однак вимірювання накопиченої енергії з електрохімічного пристрою є набагато складнішим.

У той час як звичайний покажчик рівня палива вимірює вхід та вихід рідини з резервуара відомого розміру з мінімальними втратами, покажчик рівня палива акумулятора має непідтверджені визначення та показує лише напругу холостого ходу (OCV), яка є непостійним відображенням стану заряду (SoC). Проблема посилюється тим, що акумулятор – це посудина, що протікає та стискається, яка втрачає енергію та поглинає менше вмісту з кожним зарядом. Зі зменшенням ємності зазначений показник ємності в А·год (ампер-годинах) більше не відповідає дійсності. Також покажчик рівня палива не може самостійно оцінити ємність; показання завжди показують повний заряд після перезаряджання, навіть якщо ємність впала до половини зазначеного показника ємності в А·год.

Методи вимірювання SoC

Найпростіший метод вимірювання стану заряду – це зчитування напруги, але це може бути неточним, оскільки струми навантаження знижують напругу під час розряду. Найбільшою проблемою є плоска крива напруги розряду на більшості літієвих та нікелевих акумуляторів. Температура також відіграє певну роль; тепло підвищує напругу, а холодне навколишнє середовище знижує її. Зворушення від попереднього заряду або розряду призводить до подальших помилок, і акумулятору потрібно кілька годин відпочинку для нейтралізації.

Розумні акумулятори

Більшість акумуляторів для медичних, військових та комп'ютерних пристроїв є «розумними». Це означає, що між акумулятором, обладнанням та користувачем відбувається певний рівень зв'язку. Визначення терміна «розумний» різняться залежно від виробника та регуляторних органів, і найпростіший розумний акумулятор може містити лише чіп, який налаштовує зарядний пристрій на правильний алгоритм заряджання. На думку форуму Smart Battery System (SBS), ці акумулятори не можна назвати розумними. На форумі SBS зазначено, що розумний акумулятор повинен забезпечувати індикацію стану заряду.

Безпека є ключовою метою проектування, а концепція SBS полягає в розміщенні системного інтелекту всередині акумуляторного блоку. Таким чином, акумулятор SBS взаємодіє з мікросхемою керування зарядом у замкнутому циклі. Незважаючи на цей цифровий контроль, більшість зарядних пристроїв SBS також покладаються на аналогові сигнали від хімічного акумулятора для завершення заряду, коли акумулятор повністю заряджений. Крім того, з міркувань безпеки додано надлишкове вимірювання температури.

Benchmarq була першою компанією, яка запропонувала технологію покажчика рівня палива в 1990 році. Сьогодні багато виробників пропонують інтегральні схеми (ІС) в однопровідних та двопровідних системах, також відомих як шина керування системою (SMBus).

Кулонівський підрахунок

Оцінка стану заряду в інтелектуальному акумуляторі зазвичай включає кулонівський підрахунок, теорію, яка існує 250 років тому, коли Шарль-Огюстен де Кулон вперше встановив «правило Кулона». На рисунку 1 ілюструється принцип кулонівського підрахунку, вимірювання потоку енергії вхідного та вихідного потоку. Один кулон (1 Кл) за секунду дорівнює одному амперу (1 А). Розрядка акумулятора силою 1 А протягом однієї години дорівнює 3600 °C. (Не плутати з C-rate.)

Рисунок 1: Принцип роботи покажчика рівня палива на основі кулонівського підрахунку
Схема вимірює енергію, що надходить та виходить; накопичена енергія відображає стан заряду. Один кулон за секунду дорівнює одному амперу (1 А).

Кулонівський підрахунок має бути бездоганним, але трапляються помилки. Наприклад, якщо акумулятор заряджався протягом 1 години силою 1 ампер, то при розряді має бути доступна така ж кількість енергії, а жоден акумулятор не може цього забезпечити. Неефективність прийняття заряду, особливо ближче до кінця заряду та особливо при швидкому зарядженні, знижує енергоефективність. Втрати також відбуваються під час зберігання та розряду. Доступна енергія завжди менша за ту, що була подана в акумулятор.

Однопровідна шина

Однопровідна система, також відома як 1-Wire, здійснює зв'язок через один провід з низькою швидкістю. Розроблена Dallas Semiconductor Corp., 1-Wire поєднує дані та тактовий сигнал в одну лінію для передачі; Манчестерський код, також відомий як фазове кодування, розділяє дані на приймальному кінці. З міркувань безпеки більшість акумуляторів також використовують окремий провід для вимірювання температури. На рисунку 2 показано схему однопровідної системи.

Рисунок 2: Однопровідна система «розумного» акумулятора ^[1]
Один провід забезпечує передачу даних. З міркувань безпеки більшість акумуляторів також мають окремий провід для вимірювання температури.

Однопровідна система зберігає код акумулятора та відстежує дані про акумулятор, які зазвичай включають інформацію про напругу, струм, температуру та стан заряду. Через відносно низьку вартість обладнання, однопровідна система є привабливою для цінових пристроїв, таких як вимірювальні прилади, мобільні телефони, рації двостороннього зв'язку, камери та сканери.

Більшість однопровідних систем мають власний протокол і використовують спеціалізований зарядний пристрій. Наприклад, однопровідне рішення Benchmarq не може безпосередньо вимірювати струм; вимірювання стану (SoH) можливе лише при «підключенні» хоста до призначеного акумулятора.

Шина керування системою

Шина керування системою (SMBus) являє собою узгоджені зусилля щодо узгодження одного протоколу зв'язку та одного набору даних. Похідна від I2C, система інтелектуальних акумуляторів Duracell/Intel була стандартизована в 1995 році та складається з двох окремих ліній для даних та тактової частоти. I2C (міжінтегральна схема) — це багатоголовна, багатопідрядна, одностороння послідовна комп'ютерна шина, винайдена компанією Philips Semiconductor. На рисунку 3 показано схему двопровідної системи SMBus.

Рисунок 3: Двопровідна система SMBus
SMBus працює за двопровідною системою, використовуючи стандартизований протокол зв'язку.
Ця система підходить для стандартизованих вимірювань стану заряду та справності.

Філософія акумулятора SMBus полягала в тому, щоб перенести керування зарядом із зарядного пристрою та призначити його акумулятору. У справжній системі SMBus акумулятор стає головним, а зарядний пристрій – підлеглим, який виконує команди акумулятора. Це дозволяє універсальному зарядному пристрою обслуговувати сучасні та майбутні хімічні характеристики акумуляторів, застосовуючи правильні алгоритми заряджання.

BMS для літієвих АКБ

Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму

Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart

Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron

Купити

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron

 Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.

Купити

Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy

Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!

Купити

Подивитися більше

Протягом 1990-х років з'явилося кілька стандартизованих акумуляторних блоків SMBus, зокрема 35 та 202 ( рис. 4 ). Вироблені Sony, Hitachi, GP Batteries та іншими, ці змінні акумулятори були розроблені для живлення широкого спектру портативних пристроїв, таких як ноутбуки та медичні інструменти. Ідея була надійною, але стандартизація розійшлася, оскільки більшість виробників почали створювати власні блоки.

Щоб запобігти потраплянню на ринок неавторизованих акумуляторів, деякі виробники додають код, що виключає інших постачальників акумуляторів. Деякі виробники навіть анулюють акумулятор після досягнення певної кількості циклів. Щоб уникнути несподіванок, більшість цих систем інформують користувача про майбутній кінець терміну служби.

Рисунок 4: Акумулятори серій 35 та 202 з шиною SMBus  Доступні в нікелевих та літієвих варіантах, ці акумулятори живлять ноутбуки, біомедичні прилади та геодезичне обладнання.
Також доступні версії без шини SMBus («глуші» версії) з таким самим розміром.

Акумулятор SMBus містить постійні та тимчасові дані. Виробник акумулятора програмує в акумулятор постійні дані, які включають ідентифікатор акумулятора, тип акумулятора, назву виробника, серійний номер та дату виробництва. Тимчасові дані додаються під час використання та містять кількість циклів, схему використання та вимоги до обслуговування. Деяка інформація зберігається, тоді як інша оновлюється протягом усього терміну служби акумулятора. Напруга зазвичай вимірюється з кроком 1 мВ; роздільна здатність струму становить 0,5 мА, точність вимірювання температури становить приблизно ±3ºC.

Зарядка SMBus рівня 2 та 3

Розумні зарядні пристрої для акумуляторів поділяються на рівні 1, 2 та 3. Рівень 1 було припинено, оскільки він не забезпечує заряджання, незалежно від хімічного складу, і підтримував лише один хімічний елемент. Зарядний пристрій рівня 2 повністю контролюється розумним акумулятором і діє як ведений пристрій шини SMBus, реагуючи на команди напруги та струму від розумного акумулятора. Рівень 2 також служить для внутрішньосхемної зарядки, практика, поширена в ноутбуках. Інше використання - це акумулятор із вбудованою схемою зарядки. На рівні 2 акумулятор і схема з'єднані між собою.

Зарядний пристрій 3-го рівня може інтерпретувати команди від розумного акумулятора, як це робиться з рівнем 2, а також виступати в ролі головного пристрою. Іншими словами, зарядний пристрій 3-го рівня може запитувати інформацію про заряджання від розумного акумулятора, але він також може нав'язувати свій власний алгоритм заряджання, реагуючи на «хімічний» акумулятор. Більшість промислових розумних зарядних пристроїв базуються на гібридному типі рівня 3.

З'явилися деякі дешевші зарядні пристрої, які підтримують акумулятори SMBus, але вони можуть не повністю відповідати стандарту SBS. Виробники акумуляторів SMBus не підтримують цей скорочений спосіб через міркування безпеки. Такі застосування, як біомедичні прилади, пристрої збору даних та геодезичне обладнання, схиляються до зарядних пристроїв 3-го рівня з повноцінними протоколами заряджання. У таблиці 5 перераховано переваги та обмеження інтелектуального акумулятора.