Eine kurze Beschreibung des Smart Battery Systems

In der Computerindustrie sind Lithium-Ionen-Batterien eine Hassliebe. Die Vorfälle in den frühen Tagen des Einsatzes von Lithium-Ionen-Batterien sind für die beteiligten Unternehmen noch immer aktuell. Sie haben eine beeindruckende Lektion gelernt: Unter keinen Umständen sollten Sie die Nennparameter eines lithium-ionen-akkus überschreiten, da Sie sonst eine Explosion oder einen Brand verursachen können.

Zusätzlich zur chemischen Zusammensetzung der Batterie oder den Parametern der Elektrode gibt es mehrere bestimmte Parameter für die Lithiumionenbatterie, und wenn diese überschritten wird, tritt die Batterie in einen unkontrollierten Zustand ein. In der Tabelle, in der diese Parameter erläutert werden (siehe Lithiumionen-Parameterkarte), ist jeder Punkt außerhalb der entsprechenden Schwellenwertkurve außer Kontrolle geraten. Mit zunehmender Batteriespannung sinkt die Temperaturschwelle. Andererseits führt jedes Verhalten, bei dem die Batteriespannung ihren Auslegungswert überschreitet, zu einer Überhitzung der Batterie.

Achten Sie auf die vom Ladegerät verursachte Gefahr

Der Hersteller des Akkus hat mehrere Schichten des Batterie- und Packungsschutzes festgelegt, um eine gefährliche Überhitzung zu vermeiden. Die Batterie enthält jedoch eine Komponente, die dazu führen kann, dass diese Maßnahmen fehlschlagen und Schaden anrichten. Dieses Gerät ist ein Ladegerät.

Es gibt drei Möglichkeiten, eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie zu beschädigen: Die Batteriespannung ist zu hoch (die gefährlichste Situation); der Ladestrom ist zu groß (der übermäßige Ladestrom verursacht den Lithiumbeschichtungseffekt, der Wärme verursacht); Der Ladevorgang kann nicht korrekt abgebrochen werden oder der Ladevorgang erfolgt bei zu niedriger Temperatur.

Entwickler von Li-Ion-Ladegeräten treffen zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen, um zu vermeiden, dass der zulässige Bereich dieser Parameter überschritten wird. Es ist absolut sicher, dass die relevanten Parameter des Systems innerhalb des sicheren Bereichs arbeiten.

Beispielsweise erlaubt die Spezifikation des intelligenten Batterieladegeräts eine negative Vorspannung von -9%, betont jedoch, dass die positive Abweichung 1% nicht überschreiten darf. Es erfüllt garantiert die Sicherheitsstandards für intelligente Batterien. Natürlich sind im tatsächlichen Design die positiven und negativen Abweichungen zufällig. Daher legt das Design, das dieser Spezifikation entspricht, häufig den Zielspannungswert des Ladegeräts auf nahe -4% des Nennwerts fest.

Aufgrund der Ungenauigkeit der Ladespannung (ob -4% oder -9%) ist der Akku immer unterladen. Die Angst vor der möglichen Gefahr von Lithium-Ionen-Batterien führt zu einer sehr geringen Auslastung der Batteriekapazität. Nach den Erfahrungen von Branchenexperten liegt die Spannung auch nach dem Laden nur um 0,55% unter dem Nennwert und der Kapazitätsabfall bei bis zu 15%.

Batterie in den Computer eingebaut

Das Prinzip der intelligenten Batterietechnologie ist sehr einfach. Die Batterie ist in einen kleinen Computer eingebaut, um alle Batteriedaten zu überwachen und zu analysieren und die verbleibende Batteriekapazität genau vorherzusagen. Die verbleibende Akkukapazität kann direkt in die verbleibende Arbeitszeit des tragbaren Computers umgewandelt werden. Die Arbeitszeit kann sofort um 35% gegenüber der ursprünglichen Kapazitätsüberwachungsmethode verlängert werden, die allein auf der Spannungsüberwachung basiert.

Leider kann die intelligente Batterietechnologie nur so viel. Wenn sie nicht mit dem Ladekreis kommunizieren können, können sie weder ihre Betriebsumgebung bestimmen noch den Ladevorgang steuern.

In einer "Smart Battery System" -Umgebung fordert die Batterie das Smart Charger auf, es unter bestimmten Spannungs- und Strombedingungen aufzuladen. Das intelligente Ladegerät ist dann für das Laden des Akkus basierend auf den angeforderten Spannungs- und Stromparametern verantwortlich.

Das Ladegerät passt seinen Ausgang mit seiner eigenen internen Spannungs- und Stromreferenz an den vom Smart-Akku angeforderten Wert an. Da die Ungenauigkeit dieser Benchmarks bis zu -9% betragen kann, endet der Ladevorgang möglicherweise damit, dass der Akku nur teilweise geladen ist.

Ein detaillierteres Verständnis der Ladeumgebung kann weitere Probleme aufzeigen, die sich auf die Ladeeffizienz von Lithium-Ionen-Batterien auswirken. Selbst im idealsten Fall führt das Widerstandselement zwischen den Zellen des Ladegeräts im Ladepfad unter der Annahme, dass die Genauigkeit des Ladegeräts 100% beträgt, einen zusätzlichen Spannungsabfall ein, insbesondere während der Konstantstrom-Ladephase. Diese zusätzlichen Spannungsabfälle bewirken, dass der Ladevorgang vorzeitig aus dem konstanten Strom in die Konstantspannungsphase eintritt.

Wenn der vom Widerstand eingebrachte Spannungsabfall mit abnehmendem Strom allmählich abnimmt, schließt das Ladegerät schließlich den Ladevorgang ab. Die Ladezeit wird jedoch verlängert. Die Übertragungseffizienz von Energie beim Laden mit konstantem Strom ist höher.

Beseitigen Sie den Widerstandsabfall

Idealerweise eliminiert der Ausgang des Ladegeräts genau die Auswirkungen des Spannungsabfalls am Widerstand. Möglicherweise hat jemand eine Lösung gefunden, bei der das intelligente Ladegerät seine Ausgabe mithilfe intelligenter Daten zur Batterieüberwachungsschaltung in allen Phasen des Ladevorgangs überwacht und korrigiert. Dies ist für ein Einzelbatteriesystem möglich, jedoch nicht für Doppel- oder Mehrfachbatteriesysteme.

Bei einem System mit zwei Batterien ist es vorzuziehen, wenn möglich, zwei Batterien gleichzeitig zu laden und zu entladen. Obwohl das Laden des Akkus parallel erfolgt, ist ein typisches Ladegerät mit nur einem SMBUS-Anschluss immer noch nicht für diese Aufgabe geeignet. Denn wenn nur ein SMBUS-Anschluss vorhanden ist, kann das Ladegerät oder ein anderes SMBUS-Gerät nur mit einer Batterie gleichzeitig kommunizieren. Daher sollte ein ideales System zwei oder mehr SMBUS-Anschlüsse bereitstellen, damit beide Akkus gleichzeitig mit dem Ladegerät kommunizieren können.

SBS-Manager (Smart Battery System)

Neben der Bereitstellung mehrerer SMBUS-Ports kann die Technologie von SBS Manager auch die Leistung von Lithium-Ionen-Smart-Batterien erheblich verbessern. Der SBS-Manager ist Teil des SBS und wird durch die SBS 1.1-Spezifikation definiert. Es ersetzt den in der vorherigen Version definierten Smart Selector.

Der SBS Manager bietet eine Schnittstelle zum Laufwerk und zur Systemseite des Laufwerks und verwaltet andererseits den intelligenten Akku und das Ladegerät. Das Laufwerk kann Informationen über den Akku, das Ladegerät und den Manager selbst lesen und anfordern. Die dieser Informationsübertragung zugeordnete Schnittstelle ist in der Spezifikation definiert. In einem System mit mehreren Batterien ist der SBS-Manager dafür verantwortlich, die Systemstromversorgung auszuwählen und zu entscheiden, welche Batterie zu einem bestimmten Zeitpunkt geladen oder entladen werden soll. Kurz gesagt, der SBS-Manager bestimmt, welcher Akku wann aufgeladen, welcher entladen werden soll.

Ein gut implementiertes SBS-Management bietet mehrere Vorteile: einen vollständigeren und schnelleren Ladevorgang, gleichzeitig effizientes Laden und Entladen sowie die Fähigkeit, gefährliche Zustände wie mögliche Spannungsüberschreitungen schnell zu erkennen und darauf zu reagieren.

Der SBS-Manager, der die Spannung der Batterie selbst überwacht, lädt die Batterie auf ihre tatsächliche Kapazität auf. Eine unzureichende Aufladung aufgrund der ungenauen Überwachungsspannung des Smart Charger (im Allgemeinen -4% bis -9% wie oben beschrieben) kann vermieden werden. Außerdem erfordert dieser Prozess keine besonders genaue Referenzspannung (genaue Spannungsreferenzen sind teuer).

Die Strategie zur Vermeidung einer präzisen Spannungsreferenz besteht darin, die Batteriespannung mithilfe eines Messkreises in der intelligenten Batterie mit einer Genauigkeit von 1% zu messen. Auf diese Weise kann der SBS-Manager dem Ladegerät befehlen, die Spannung entsprechend zu erhöhen, bis die überwachte Spannung einen geeigneten Wert erreicht.

Mit einem gut implementierten SBS-Manager kann der Akku 16% schneller als mit herkömmlichen Ladegeräten aufgeladen werden. Erhöhen Sie die Ausgangsspannung des Ladegeräts sicher über die Nennspannung der Batterie, um den Spannungsabfall aufgrund des Innenwiderstands der Batterie und des Schleifenwiderstands auszugleichen. Dies kann durch Überwachen der internen Spannung des Akkus und schnelles Einstellen der Ladespannung erfolgen.

Wann und wie aufladen

Der SBS Manager kann bestimmen, wann der Akku gleichzeitig aufgeladen werden soll. Durch gleichzeitiges Laden kann der Strom des Ladegeräts zum Laden besser genutzt werden. In einem Einzelzellensystem nimmt der vom Ladegerät bereitgestellte Ladestrom ab, wenn der Akku vollständig aufgeladen ist, wenn er in den Lademodus mit konstanter Spannung wechselt. Der nicht genutzte Strom wird verschwendet. Dies ist bei einem System mit zwei Batterien, das den SBS-Manager verwendet, nicht der Fall, und der Strom, der beim Laden einer Batterie nicht verwendet wird, kann für eine andere verwendet werden.

Darüber hinaus kann der SBS-Manager bestimmen, welcher Batteriezustand schneller übertragen werden kann. Der Akku, der die Systemkapazität am schnellsten erhöhen kann, wird zuerst aufgeladen, und der Akku, der mehr Energie laden kann, wird schnell entladen. Dies beschleunigt den Ladevorgang um bis zu 60%. Der SBS Manager kann auch bestimmen, wann die gleichzeitige Entladefunktion aktiviert ist. Durch eine ordnungsgemäße gleichzeitige Entladung kann die Systemkapazität um bis zu 16% erhöht werden.

Natürlich müssen alle diese Verbesserungen für die Leistung der Batterie sicher sein. Wie bereits erwähnt, haben Lithium-Ionen-Batterien eine Nennspannung. Wenn die an die Batterie angelegte Spannung einen Maximalwert erreicht, wechselt der Ladevorgang von einem konstanten Strom in einen konstanten Spannungsmodus. Die Erkennung dieses Schaltpunkts liegt in der Verantwortung des SBS-Managers für intelligentes Laden auf der Grundlage der gemessenen Batteriespannung. Der große Vorteil des SBS Managers gegenüber intelligenten Ladegeräten besteht jedoch darin, dass das Ladegerät und die Batteriespannung ständig überwacht und korrigiert werden. Dies gewährleistet auch die Sicherheit beim Erreichen der maximalen Kapazität der Batterie.

Da die Leistung von Computern und anderen Geräten weiter zunimmt, steigt der Energiebedarf rapide an, und die Verbesserung chemischer Batterien kann mit dieser Wachstumsrate nicht Schritt halten. Obwohl die SBS-Technologie sehr hilfreich ist, wird es immer einen Tag geben, an dem die SBS-Technologie nicht die für Hochleistungssysteme erforderliche Leistung liefern kann und eine intelligentere Energieverwaltungslösung erforderlich ist.

Wenn dieser OEM den Laptop sechs Stunden lang laufen lässt, ohne die Leistung wesentlich zu beeinträchtigen, wird er schnell den Markt übernehmen. Der SBS-Manager hat einen großen Schritt in Richtung dieses Ziels gemacht.

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