У аккумулятора есть унаследованная проблема, заключающаяся в том, что он не может общаться с пользователем. Ни вес, ни цвет, ни размер не позволяют судить о состоянии заряда (SoC) и состоянии батареи (SoH). Пользователь полностью зависит от батареи.

Помощь в нарушении кодекса молчания уже под рукой. Все больше современных аккумуляторных батарей делают «умными». Эти аккумуляторы, оснащенные микрочипом, могут взаимодействовать как с зарядным устройством, так и с пользователем. Типичные области применения «умных» аккумуляторов - ноутбуки и видеокамеры. Все чаще эти батареи также используются в биомедицинских устройствах и оборонных приложениях.

Существует несколько типов «умных» аккумуляторов, каждый из которых отличается своей сложностью и стоимостью. Самая простая «умная» батарея может содержать не что иное, как микросхему, которая настраивает зарядное устройство на правильный алгоритм зарядки. С точки зрения форума Smart Battery System (SBS) эти батареи нельзя назвать «умными».

Что же тогда делает аккумулятор «умным»? Определения по-прежнему различаются между организациями и производителями. На форуме SBS говорится, что «умная» батарея должна обеспечивать показания SoC. В 1990 году Benchmarq была первой компанией, которая коммерциализировала эту концепцию, предложив датчик уровня топлива. Сегодня такие чипы выпускают несколько производителей. Они варьируются от однопроводной системы до двухпроводной системы с шиной управления системой (SMBus). Давайте сначала посмотрим на однопроводную систему.

Однопроводная шина

Однопроводная система обеспечивает передачу данных по одному проводу. Эта батарея использует три провода: общие положительные и отрицательные клеммы аккумулятора и одну единственную клемму данных, которая также предоставляет информацию о часах. По соображениям безопасности большинство производителей аккумуляторов прокладывают отдельный провод для измерения температуры. На рисунке 1 показана схема однопроводной системы.

Рисунок 1:  Однопроводная система «умной» батареи. Для передачи данных нужен только один провод. По соображениям безопасности большинство производителей аккумуляторов прокладывают отдельный провод для измерения температуры.

Однопроводная система хранит код батареи и отслеживает показания батареи, включая температуру, напряжение, ток и SoC. Из-за относительно низкой стоимости оборудования однопроводная система пользуется популярностью на рынке для высокопроизводительных двусторонних радиостанций, видеокамер и портативных вычислительных устройств.

Большинство однопроводных систем не имеют общего форм-фактора; они также не поддаются стандартизованным измерениям SoH. Это создает проблемы для концепции универсального зарядного устройства. Например, однопроводное решение Benchmarq не может измерять ток напрямую; его необходимо извлекать из изменения емкости с течением времени. Кроме того, однопроводная шина позволяет измерять SoH батареи только тогда, когда хост подключен к назначенному батарейному блоку. Такая фиксированная взаимосвязь между хостом и батареей возможна только при использовании оригинальной батареи. Любое несоответствие в батарее сделает систему ненадежной или даст ложные показания.

SMBus

SMBus - самая полная из всех систем. Он представляет собой большие усилия электронной промышленности по стандартизации одного протокола связи и одного набора данных. Duracell / Intel SBS, который используется сегодня, был стандартизирован в 1993 году. Это двухпроводная интерфейсная система, состоящая из отдельных линий для данных и часов. На рисунке 2 показана схема двухпроводной системы SMBus.

Рисунок 2:  Двухпроводная система SMBus. SMBus основан на двухпроводной системе с использованием стандартизованного протокола связи. Эта система допускает стандартизованные измерения состояния заряда и состояния здоровья.

Задача аккумулятора SMBus - снять контроль заряда с зарядного устройства и назначить его аккумулятору. В настоящей системе SMBus аккумулятор становится ведущим, а зарядное устройство - ведомым, которое должно подчиняться требованиям аккумулятора. 

Зарядка с управлением от аккумулятора имеет смысл, если учесть, что некоторые блоки имеют одинаковую площадь основания, но содержат разный химический состав, что требует альтернативных алгоритмов зарядки. С SMBus каждая батарея получает правильный уровень заряда и завершает полную зарядку с помощью соответствующих методов обнаружения. В аккумуляторных батареях будущего можно будет использовать существующие зарядные устройства.

Батарея SMBus содержит постоянные и временные данные. Постоянные данные программируются в батарее во время производства и включают идентификационный номер батареи, тип батареи, серийный номер, наименование производителя и дату изготовления. Временные данные собираются во время использования и состоят из количества циклов, пользовательского шаблона и требований к обслуживанию. Часть этой информации обновляется в течение срока службы батареи.

Шина SMBus разделена на уровни 1, 2 и 3. Уровень 1 исключен, поскольку он не обеспечивает независимую от химии зарядку. Уровень 2 предназначен для внутрисхемной зарядки. Портативный компьютер, который заряжает батарею внутри устройства, является типичным примером уровня 2. Другое приложение уровня 2 - это батарея, которая содержит цепь зарядки внутри блока. Уровень 3 зарезервирован для полнофункциональных внешних зарядных устройств.

Внешние зарядные устройства уровня 3 сложны и дороги. Появились некоторые более дешевые зарядные устройства, которые подходят для аккумуляторов SMBus, но не полностью совместимы с SBS. Производители аккумуляторов SMBus не полностью поддерживают этот ярлык. Безопасность всегда вызывает беспокойство, но клиенты покупают их из-за низкой стоимости. Серьезные пользователи промышленных аккумуляторов, работающие с биомедицинскими приборами, устройствами сбора данных и исследовательским оборудованием, используют зарядные устройства уровня 3 с полноценным протоколом зарядки. 

К наиболее популярным аккумуляторам SMBus относятся аккумуляторы форм-фактора 35 и 202 (рисунок 3). Эти батареи, произведенные Sony, Hitachi, GP Batteries, Moli Energy и другими, работают (должны работать) во всем портативном оборудовании, предназначенном для этой системы. Хотя 35 занимает меньше места, чем 202, большинство зарядных устройств подходят для обоих размеров. Также доступна не-SMBus («тупая») версия с таким же размером. Эти батареи можно заряжать только с помощью обычного зарядного устройства или зарядного устройства обоих типов.

Рис. 3.  «Умные» батареи серий 35 и 202 с шиной SMBus. Доступные в никель-кадмиевом, никель-металл-гидридном и литий-ионном химическом составе, эти батареи используются для ноутбуков, биомедицинских инструментов и исследовательского оборудования. Также доступна не-SMBus («тупая») версия с таким же размером.

Несмотря на согласованный стандарт и данные форм-факторы, многие производители компьютеров сохранили свои собственные батареи. Причины - безопасность, производительность и форм-фактор. Они утверждают, что длительная работа может быть гарантирована только при использовании батарей их собственной марки. В этом есть здравый смысл, но основным мотивом может быть ценообразование. В отсутствие конкуренции эти аккумуляторы можно продать по более высокой цене.

Минусы "умной" батареи

У «умной» батареи есть ряд заметных минусов, один из которых - цена. Батарея SMBus стоит примерно на 25% дороже, чем «тупой» эквивалент. Кроме того, «умная» батарея была предназначена для упрощения зарядного устройства, но полноценное зарядное устройство уровня 3 стоит значительно дороже, чем обычная модель.

Более серьезным недостатком является необходимость периодической калибровки или повторного обучения емкости. Технический менеджер Moli Energy, производителя литий-ионных элементов, прокомментировал: «Благодаря литий-ионным батареям мы устранили эффект памяти; но представляет ли батарея SMBus цифровую память?»

Зачем нужна калибровка? Калибровка исправляет ошибки слежения, возникающие между аккумулятором и цифровой измерительной схемой во время зарядки и разрядки. Наиболее идеальным вариантом применения батареи с точки зрения точности указателя уровня топлива была бы полная зарядка с последующей полной разрядкой при постоянном токе. В таком случае ошибка отслеживания будет менее 1% за цикл. Однако в реальной жизни аккумулятор может разряжаться всего за несколько минут, а импульсы нагрузки могут быть очень короткими. Длительное хранение также способствует возникновению ошибок, поскольку схема не может точно компенсировать саморазряд. В конце концов, истинная емкость аккумулятора больше не синхронизируется с указателем уровня топлива, и требуется полная зарядка и разрядка, чтобы «заново изучить» аккумулятор.

Как часто требуется калибровка? Ответ кроется в приложении батареи. Для практических целей рекомендуется проводить калибровку один раз в три месяца или после каждых 40 коротких циклов. Многие аккумуляторы периодически полностью разряжаются при регулярном использовании. Если портативное устройство допускает достаточно глубокую разрядку для перезагрузки аккумулятора и это происходит регулярно, дополнительная калибровка не требуется. Однако, если сброса разряда не происходило в течение нескольких месяцев, необходима преднамеренная полная разрядка. Это можно сделать с помощью зарядного устройства с функцией разряда или анализатора батареи.

Что произойдет, если аккумулятор не калибруется регулярно? Можно ли использовать такую ​​батарею по секрету? Большинство «умных» зарядных устройств подчиняются требованиям химических элементов, а не электронной схемы. В этом случае аккумулятор будет полностью заряжаться независимо от настройки указателя уровня топлива и будет работать нормально, но цифровые показания будут неточными. Если не исправить, указатель уровня топлива просто станет неприятностью.

Дополнительная проблема с батареей SMBus - несоответствие. В отличие от других строго регулируемых стандартов, протокол SMBus допускает некоторые вариации. Это может вызвать проблемы с существующими зарядными устройствами, и аккумулятор SMBus следует проверить на совместимость перед использованием. Необходимость проверять и утверждать брак между конкретным аккумулятором и зарядным устройством вызывает сожаление, учитывая уверенность в том, что аккумулятор SMBus предназначен для универсального использования. По иронии судьбы, чем больше функций предлагается зарядным устройством SMBus и аккумулятором, тем выше вероятность несовместимости.