混合電源的在線測量技術(圖)

人們對便攜式產品更長運行時間的追求，促使燃料電池逐漸成為終端設備領域的新型電源。但是，在便攜式應用中“只采用燃料電池”仍然面臨諸多挑戰。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成混合電源，能夠解決很多動態供電與發熱的問題。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中，我們稱燃料電池與蓄電池的組合結構為混合（電源）系統。這種架構廣泛應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，每種混合電源實現方案都是經過專門設計的，以滿足所選擇的燃料電池和蓄電池的獨特需求。

混合電源系統主要的組件包括燃料電池、燃料盒、蓄電池、系統負荷、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合稱為混合電源（HPS）。

上述系統在使用的不同階段，能夠用做三種能源和兩種負載。當該系統沒有插接直流電源時，燃料電池和/或蓄電池的組合結構能夠為系統負載供電。另外，當直流電源不存在時，燃料電池還能夠對蓄電池進行充電，以盡可能地增強電源斷電末期（end-of-power-shutdown）的性能，或者實現更好的系統動態電源響應特性。當直流電源可用時，它既對蓄電池進行充電也對系統負載進行供電。

對于這種復雜的結構，我們必須對系統的電源通路管理進行精確控制，以確保系統負載的運行總是能夠滿足終端用戶的使用要求。關鍵的控制時機是當可用的電量降低到一定的水平時，這時電源無法再為系統負載供電，導致了受限的使用配置，甚至執行了受控的關機操作。

為了實現這種精確的控制，電源控制器必須能夠檢測多種因素以產生有效電量和總有效電量峰值等關鍵數據。這些關鍵數據的定義如下：有效電量峰值定義為混合電源在一定的短期時間內能夠提供的電量，例如DVD機啟動或關機時光盤操作所需的電量。峰值周期取決于終端設備的負載分布特征。總有效電量定義為混合電源能夠提供的總電量，它與放電比率無關。

圖1 采用混合電源的電源系統

系統監測
利用目前市場上供應的標準燃料計可以對蓄電池進行監測，例如使用bq20z75監測兩組、三組或四組串聯結構的鋰離子電池，或者使用bq27210監測單組串聯的鋰電池。這些監測方案能夠為電源控制器提供所需的電壓、電流、溫度、電荷狀態等數據。

蓄電池監測系統通過I2C、SMBus或HDQ之類的數據總線實現與電源控制器連接。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（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測更具挑戰性。燃料盒內可用燃料的種類和數量，以及燃料電池的當前與平均效率都是監測燃料電池有效電量需要考慮的因素。

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

具有數據存儲功能的燃料盒實現方案中，最好的方法是通過電源控制器或者燃料加注系統將測量出的剩余燃料數據寫回到燃料盒中。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。

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

此外，我們還需要測量直流電源和系統的負載功率等數據。通過這些數據以及來自于監測子系統的數據，我們就可以計算出總有效電量和峰值有效電量的值。終端設備的有效運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能力和蓄電池的尺寸也會帶來新的問題。這需要進一步了解有關知識。

預測HPS運行時間
蓄電池和燃料電池監測子系統能夠為主系統提供總電量和峰值電量的數據，使主系統能夠判斷各種所需的用戶數據。在這個實例結構中，我們采用了一個電源控制器，它具有多種優點。主要優點之一就是能夠管理數據和子系統，使得混合電源在使用過程中就好像一個標準的蓄電池電源一樣。

電源控制器負責接收監測數據并管理蓄電池的使用過程，在HPS的預期壽命期內發揮最高的性能。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（SOC），從而盡可能地提高這一結構的可用性。

對SOC特性的管理與當前大多數便攜式應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提供所有的電能。因此，蓄電池應該安全地存儲盡可能多的電能，最終實現最長的系統運行時間。同樣，蓄電池的充電時間也是至關重要的，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行權衡，但是這在目前的消費產品中并不常見。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之間實現更好的平衡。理想情況下，HPS中的蓄電池能夠在整個HPS壽命期限內持續工作，不需要更換。為了實現這一目標，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/速率進行溫度補償。電源控制器通過調節電池的充電電流，能夠確保當連接系統負載時有足夠的直流電源供電。

最近推出的智能電池數據集（SBDS）補遺將燃料電池的數據添加到現有的支持蓄電池的數據集中，使主機能夠訪問，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，能夠處理復雜的HPS功能，根據SBDS燃料電池附加內容能夠幫助主系統更有效地使用HPS。

增加燃料電池和蓄電池的總有效電量，能夠使主系統實現有效運行時間指示、剩余時間報警（RTA），或剩余容量/電量報警（RCA）等基本功能。
預測運行時間的公式如下所示：
AtRateTimeToEmpty (ARTTE)
=總有效電量/AtRate( )
根據這一公式，主系統能夠根據其掌握的用戶操作意圖判斷有效運行時間，例如播放DVD，或者啟動系統診斷。如果主系統能夠進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運行時間的最大化
由于未來總是難以預測的，因此為用戶預測運行時間是一種“水晶球”式的做法。但是，根據電源系統所提供的數據，我們可以在電量較低時實現一種受控的系統斷電過程。這種控制功能越精確，系統的運行時間就越長。

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