混合電源的在線測量技術(shù)(圖)

人們對便攜式產(chǎn)品更長運(yùn)行時間的追求，促使燃料電池逐漸成為終端設(shè)備領(lǐng)域的新型電源。但是，在便攜式應(yīng)用中“只采用燃料電池”仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。一種解決方法就是采用混合電源。

將燃料電池與蓄電池、超級電容或其他電能儲存裝置集成在一起構(gòu)成混合電源，能夠解決很多動態(tài)供電與發(fā)熱的問題。但是，這種方案本身也具有電源管理方面的問題。

混合電源
在本文所討論的電源架構(gòu)中，我們稱燃料電池與蓄電池的組合結(jié)構(gòu)為混合（電源）系統(tǒng)。這種架構(gòu)廣泛應(yīng)用于多種燃料電池和蓄電池，并取代了諸如超電容或超級電容之類的儲電裝置。但是，每種混合電源實現(xiàn)方案都是經(jīng)過專門設(shè)計的，以滿足所選擇的燃料電池和蓄電池的獨(dú)特需求。

混合電源系統(tǒng)主要的組件包括燃料電池、燃料盒、蓄電池、系統(tǒng)負(fù)荷、直流輸入電源和電源控制器（見圖1）。燃料電池與蓄電池的結(jié)合稱為混合電源（HPS）。

上述系統(tǒng)在使用的不同階段，能夠用做三種能源和兩種負(fù)載。當(dāng)該系統(tǒng)沒有插接直流電源時，燃料電池和/或蓄電池的組合結(jié)構(gòu)能夠為系統(tǒng)負(fù)載供電。另外，當(dāng)直流電源不存在時，燃料電池還能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行充電，以盡可能地增強(qiáng)電源斷電末期（end-of-power-shutdown）的性能，或者實現(xiàn)更好的系統(tǒng)動態(tài)電源響應(yīng)特性。當(dāng)直流電源可用時，它既對蓄電池進(jìn)行充電也對系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行供電。

對于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，我們必須對系統(tǒng)的電源通路管理進(jìn)行精確控制，以確保系統(tǒng)負(fù)載的運(yùn)行總是能夠滿足終端用戶的使用要求。關(guān)鍵的控制時機(jī)是當(dāng)可用的電量降低到一定的水平時，這時電源無法再為系統(tǒng)負(fù)載供電，導(dǎo)致了受限的使用配置，甚至執(zhí)行了受控的關(guān)機(jī)操作。

為了實現(xiàn)這種精確的控制，電源控制器必須能夠檢測多種因素以產(chǎn)生有效電量和總有效電量峰值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的定義如下：有效電量峰值定義為混合電源在一定的短期時間內(nèi)能夠提供的電量，例如DVD機(jī)啟動或關(guān)機(jī)時光盤操作所需的電量。峰值周期取決于終端設(shè)備的負(fù)載分布特征?？傆行щ娏慷x為混合電源能夠提供的總電量，它與放電比率無關(guān)。

圖1 采用混合電源的電源系統(tǒng)

系統(tǒng)監(jiān)測
利用目前市場上供應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)燃料計可以對蓄電池進(jìn)行監(jiān)測，例如使用bq20z75監(jiān)測兩組、三組或四組串聯(lián)結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，或者使用bq27210監(jiān)測單組串聯(lián)的鋰電池。這些監(jiān)測方案能夠為電源控制器提供所需的電壓、電流、溫度、電荷狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)通過I2C、SMBus或HDQ之類的數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)與電源控制器連接。通過這種接口方式，電源控制器能夠獲得非常精確的電池電荷狀態(tài)（SOC），以確保在充放電的過程中都能夠安全使用電池。

對燃料電池和燃料盒的監(jiān)測更具挑戰(zhàn)性。燃料盒內(nèi)可用燃料的種類和數(shù)量，以及燃料電池的當(dāng)前與平均效率都是監(jiān)測燃料電池有效電量需要考慮的因素。

在很多情況下，燃料盒是系統(tǒng)特有的裝置，因此燃料的類型數(shù)據(jù)可以保存在電源控制器中。在其他一些電池監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案中，我們需要提供存儲在燃料盒內(nèi)燃料的數(shù)據(jù)，并通過類似的接口總線傳給電源控制器。

具有數(shù)據(jù)存儲功能的燃料盒實現(xiàn)方案中，最好的方法是通過電源控制器或者燃料加注系統(tǒng)將測量出的剩余燃料數(shù)據(jù)寫回到燃料盒中。但是這種方法可能只適用于燃料盒能夠取出并重新插入的電源系統(tǒng)。

除了燃料盒的燃料數(shù)據(jù)之外，對于燃料電池還需要監(jiān)測其他一些參數(shù)，包括溫度、燃料注入速率、輸出電壓和輸出電流。這些參數(shù)用于計算燃料電池的當(dāng)前效率。比如，通過溫度參數(shù)可以判斷出燃料電池當(dāng)前是否處于最佳工作狀態(tài)。

此外，我們還需要測量直流電源和系統(tǒng)的負(fù)載功率等數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)以及來自于監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，我們就可以計算出總有效電量和峰值有效電量的值。終端設(shè)備的有效運(yùn)行時間取決于這四個因素。

在分析電源斷電末期的特性時，燃料電池功率輸出的響應(yīng)能力和蓄電池的尺寸也會帶來新的問題。這需要進(jìn)一步了解有關(guān)知識。

預(yù)測HPS運(yùn)行時間
蓄電池和燃料電池監(jiān)測子系統(tǒng)能夠為主系統(tǒng)提供總電量和峰值電量的數(shù)據(jù)，使主系統(tǒng)能夠判斷各種所需的用戶數(shù)據(jù)。在這個實例結(jié)構(gòu)中，我們采用了一個電源控制器，它具有多種優(yōu)點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)之一就是能夠管理數(shù)據(jù)和子系統(tǒng)，使得混合電源在使用過程中就好像一個標(biāo)準(zhǔn)的蓄電池電源一樣。

電源控制器負(fù)責(zé)接收監(jiān)測數(shù)據(jù)并管理蓄電池的使用過程，在HPS的預(yù)期壽命期內(nèi)發(fā)揮最高的性能。這對于兩個方面特別有利。
● 通過燃料電池對蓄電池進(jìn)行充電，即使在沒有直流電源的情況下，也能夠確保峰值有效電量處于最佳的水平。
● 管理電池的電荷狀態(tài)（SOC），從而盡可能地提高這一結(jié)構(gòu)的可用性。

對SOC特性的管理與當(dāng)前大多數(shù)便攜式應(yīng)用中使用電池的方式是相背離的。一般而言，蓄電池是唯一的無線電源，所以它必須為主系統(tǒng)提供所有的電能。因此，蓄電池應(yīng)該安全地存儲盡可能多的電能，最終實現(xiàn)最長的系統(tǒng)運(yùn)行時間。同樣，蓄電池的充電時間也是至關(guān)重要的，充電時間越短越好。

我們可以在蓄電池的充電時間和壽命之間進(jìn)行權(quán)衡，但是這在目前的消費(fèi)產(chǎn)品中并不常見。對于HPS而言，這兩個使用動力不起作用，因此采用電源控制器可以在蓄電池與燃料電池兩者的最佳狀態(tài)之間實現(xiàn)更好的平衡。理想情況下，HPS中的蓄電池能夠在整個HPS壽命期限內(nèi)持續(xù)工作，不需要更換。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，電源控制器可以提供蓄電池充電管理功能，例如在較低的電壓下充電，采用較慢的速率充電，以及對充電電壓/速率進(jìn)行溫度補(bǔ)償。電源控制器通過調(diào)節(jié)電池的充電電流，能夠確保當(dāng)連接系統(tǒng)負(fù)載時有足夠的直流電源供電。

最近推出的智能電池數(shù)據(jù)集（SBDS）補(bǔ)遺將燃料電池的數(shù)據(jù)添加到現(xiàn)有的支持蓄電池的數(shù)據(jù)集中，使主機(jī)能夠訪問，從而控制燃料電池和蓄電池的使用過程。采用電源控制器之后，能夠處理復(fù)雜的HPS功能，根據(jù)SBDS燃料電池附加內(nèi)容能夠幫助主系統(tǒng)更有效地使用HPS。

增加燃料電池和蓄電池的總有效電量，能夠使主系統(tǒng)實現(xiàn)有效運(yùn)行時間指示、剩余時間報警（RTA），或剩余容量/電量報警（RCA）等基本功能。
預(yù)測運(yùn)行時間的公式如下所示：
AtRateTimeToEmpty (ARTTE)
=總有效電量/AtRate( )
根據(jù)這一公式，主系統(tǒng)能夠根據(jù)其掌握的用戶操作意圖判斷有效運(yùn)行時間，例如播放DVD，或者啟動系統(tǒng)診斷。如果主系統(tǒng)能夠進(jìn)一步掌握在不同模式和不同程序下的能耗情況，那就更好了。

圖2 電量使用率的對比

受控式斷電與HPS運(yùn)行時間的最大化
由于未來總是難以預(yù)測的，因此為用戶預(yù)測運(yùn)行時間是一種“水晶球”式的做法。但是，根據(jù)電源系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，我們可以在電量較低時實現(xiàn)一種受控的系統(tǒng)斷電過程。這種控制功能越精確，系統(tǒng)的運(yùn)行時間就越長。

受控關(guān)斷必須要考慮測量誤差，以確保其在任何條件下都能實現(xiàn)。對測量總可用電量的準(zhǔn)確度的提高將會直接增加用戶的可用電量。因此，充分發(fā)掘能源的潛力將會獲得更長的運(yùn)行時間（見圖2）。