تحليل بروتوكول الشحن السريع USB PD وتقنية شحن السجائر الإلكترونية: أنظمة الطاقة القياسية ومنطق التكيف للأجهزة الصغيرة

يُعد توصيل الطاقة عبر USB (USB PD) معيار بروتوكول الشحن السريع العالمي-السائد؛ فهو يدير توصيل الطاقة الذكي بين الأجهزة من خلال "آلية التفاوض على الجهد". مع الاعتماد الواسع النطاق للواجهة من النوع-C، أصبح USB PD إطار الشحن الموحد للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وحتى بعض أجهزة إنترنت الأشياء.

في قطاع-السجائر الإلكترونية، تطورت أنظمة الشحن من مصادر طاقة ثابتة بقدرة 5 فولت إلى واجهات موحدة من النوع-C، ومن ثم إلى "إمكانيات الشحن السريع-المحدودة". ومع ذلك، نظرًا لعوامل مثل سعة البطارية الأصغر، والمساحة الداخلية المحدودة، ولوائح السلامة الصارمة، فإن تطبيق USB PD في-السجائر الإلكترونية يختلف عن ذلك الموجود في الهواتف الذكية أو أجهزة الكمبيوتر؛ بدلاً من ذلك، فهو يعمل بناءً على نموذج **"توافق البروتوكول المقترن بحدود الطاقة."

 

1. جوهر بروتوكول USB PD: أكثر من مجرد شحن سريع-"نظام تفاوض الطاقة"

 

إن USB PD ليس مجرد تقنية لزيادة سرعة الشحن؛ إنه نظام شامل لبروتوكولات اتصالات الطاقة.

تتضمن وظيفتها الأساسية الاتصال ثنائي الاتجاه عبر دبوس CC (قناة التكوين) لتسهيل العملية التالية:

يتصل الجهاز بالشاحن
تقارير الشاحن عن مستويات الجهد/التيار المتاحة
يقوم الجهاز باختيار مستوى الطاقة المناسب
تم إنشاء اتصال مستقر لتوصيل الطاقة

تشمل مستويات الإخراج النموذجية ما يلي:

5 فولت (مصدر الطاقة الأساسي)
9 فولت (الشحن السريع المشترك)
12 فولت / 15 فولت (أجهزة -متوسطة إلى-عالية الطاقة)
20 فولت (الأجهزة-عالية الطاقة)

النقطة الرئيسية:
الجهد غير ثابت. إنها نتيجة "التفاوض الديناميكي".

 

2. الفرق بين النوع -C وPD (مفهوم خاطئ شائع)

 

يخلط العديد من الأشخاص بين USB Type-C وUSB PD، لكنهم في الواقع يعملون على مستويات مختلفة:

العنصر|اكتب-C|يو اس بي بي دي
اكتب|الواجهة المادية|بروتوكول الاتصال/توصيل الطاقة
الوظيفة|توحيد شكل الموصل|يتحكم في الجهد والطاقة
الاقتران الإلزامي؟|لا|لا
يعادل الشحن السريع؟|ليس بالضرورة|نظام الشحن السريع-الأساسي

لذلك:

اكتب-C ≠ شحن سريع
PD ≠ خرج طاقة عالي بالضرورة-(يمكن أن يكون محدودًا)

 

3. خصائص متطلبات الطاقة للسجائر الإلكترونية-.

 

هناك اختلافات كبيرة في تصميم الطاقة بين-السجائر الإلكترونية والهواتف الذكية:

 

3.1 سعة بطارية أصغر

 

تستخدم معظم الأجهزة بطاريات في نطاق 300 مللي أمبير إلى 1000 مللي أمبير في الساعة.

 

3.2 متطلبات الطاقة المحدودةnts

 

تقع قوة التشغيل عادةً ضمن نطاق 5 وات إلى 30 وات.

 

3.3 أولوية أعلى للسلامة

 

تتميز بطاريات الليثيوم بهيكل محكم الغلق وهي حساسة للغاية لارتفاع درجة الحرارة.

 

3.4 قيود المساحة الصارمة

 

يجب أن يستوعب الجزء الداخلي في نفس الوقت ما يلي:

بطارية
لفائف الرذاذ
هـ-خزان سائل
لوحة التحكم

وبالتالي، لا يمكن استخدام أنظمة PD المعقدة وعالية الطاقة-.

 

4. منطق الشحن الفعلي "النوع -C" في السجائر الإلكترونية-

 

تستخدم معظم-السجائر الإلكترونية ما يلي:

نظام إدخال ثابت 5 فولت (السائد)
5V / 1A
5V / 2A

يتم التحكم في منحنى الشحن داخليًا عبر نظام إدارة المباني (BMS).

شحن سريع محدود (بعض المنتجات)

معنى:

لا يزال الإدخال من النوع -C
الحد الأقصى للتيار الداخلي محدود
لا يتم إجراء مفاوضات PD كاملة
عدد قليل جدًا من "التصميمات المتوافقة مع PD-"

صفات:

يمكن التعرف على شواحن PD
ولكن يبقى مغلقا عند مستوى 5V
لا يتحول إلى أوضاع الجهد العالي-(أعلى من 9 فولت)

5. لماذا لا تستخدم السجائر الإلكترونية-الشحن السريع الكامل بتقنية PD؟

5.1 قيود سلامة البطارية

 

تعتبر بطاريات الليثيوم حساسة لمعدلات الشحن (C-rate)؛ التيارات العالية تسرع الشيخوخة.

 

5.2 عدم كفاية القدرة على الإدارة الحراريةies

 

تحتوي السجائر الإلكترونية- على مساحة داخلية محدودة ومسارات قصيرة لتبديد الحرارة.

 

5.3 قضايا التكلفة الهيكلية

 

يتطلب PD الكامل:

التحكم PD IC
دوائر التعرف على البروتوكول
مسار طاقة أكثر تعقيدًا

وهذا يزيد التكاليف بشكل كبير.

 

5.4 عدم التوافق مع احتياجات المستخدم

 

بالمقارنة مع "الشحن السريع لمدة 30 دقيقة"، يعطي المستخدمون الأولوية لما يلي:

استقرار
أمان
عمر البطارية

6. الدور الأساسي لنظام إدارة المباني في نظام الشحن

 

بغض النظر عما إذا كان PD مدعومًا أم لا،-يعتمد شحن السجائر الإلكترونية على نظام BMS. BMS مسؤول عن:

 

6.1 التحكم في مرحلة الشحنl

مرحلة التيار المستمر (CC).
مرحلة الجهد المستمر (CV).

6.2 الحد الحالي

 

يمنع تلف التيار الزائد للبطارية

 

6.3 حماية درجة الحرارةأيون

 

يقلل التيار تلقائيًا أو يتوقف عن الشحن عند تجاوز العتبات

 

6.4 حماية الجهد

 

يمنع الشحن الزائد أو التفريغ الزائد-.

ويمكن فهم ذلك على النحو التالي:

يحدد PD "من أين تأتي الطاقة"
يحدد BMS "ما إذا كان يمكن دخول الطاقة بأمان"

 

7. "الوضع العالمي الحقيقي" لـ USB PD في السجائر الإلكترونية-

 

واقع الصناعة الحالي هو:

اعتمدت على نطاق واسع:
منافذ USB قياسية من النوع-C
أنظمة شحن آمنة 5 فولت
الإدارة الحالية الأساسية
تم اعتماده جزئيًا:
قدرات التعرف على بروتوكول PD
توافق الإدخال متعدد-المستويات
لم يتم اعتمادها على نطاق واسع بعد:
شحن سريع بجهد كهربائي عالي-(أعلى من 9 فولت)
التفاوض على القوة الذكية الحقيقية

8. اتجاهات التنمية المستقبلية

 

قد تتطور أنظمة شحن السجائر الإلكترونية-في الاتجاهات التالية:

 

8.1 PD "توافق خفيف الوزن"

 

الاحتفاظ بالتعرف على البروتوكول فقط دون تمكين إخراج الجهد العالي-.

 

8.2 تنسيق أكثر ذكاءً لنظام إدارة المباني

 

دمج التحكم ثلاثي الأبعاد-في درجة الحرارة والجهد والتيار.

 

8.3 شريحة استهلاك أقل للطاقةs

 

تقليل فقدان الطاقة الاحتياطية وتحسين كفاءة استخدام البطارية.

 

8.4 تكامل أنظمة الشحن والانحلال

 

على سبيل المثال:

الحد من خرج الطاقة عندما تكون البطارية منخفضة
ضبط أوضاع الجهاز ديناميكيًا بناءً على حالة الشحن

9. الاستنتاج

 

يمثل بروتوكول الشحن السريع USB PD نظامًا قياسيًا لإدارة الطاقة، بينما تندرج أنظمة شحن السجائر الإلكترونية-ضمن فئة "تطبيقات بطاريات النظام-الصغيرة الحجم والمغلقة-".

ويمكن تلخيص العلاقة بين الاثنين فيما يلي:

يوفر PD "قواعد الطاقة الخارجية"
يتولى BMS "مراقبة السلامة الداخلية"
تختار -السجائر الإلكترونية "استراتيجية أولوية استقرار الجهد المنخفض-"

ولذلك، فإن تركيز تطوير تقنية الشحن في صناعة-السجائر الإلكترونية لا ينصب على السعي للحصول على طاقة أعلى، بل على:

إنشاء نظام إدارة طاقة أكثر أمانًا واستقرارًا وقابلية للتحكم.

باختصار:

يعمل USB PD على توحيد معايير الشحن العالمية، ولكن صناعة السجائر الإلكترونية -تختار "اعتماد التوافق القياسي دون الاعتماد بشكل كامل على مخرجات الطاقة العالية-"، حيث تظل الأولوية الأساسية هي التوازن بين سلامة البطارية والتوصيل المستقر للطاقة.