（检测技术与自动化装置专业论文）DSP系统低功耗设计.pdf

摘要 摘要 随着电子产品的飞速发展，嵌入式系统正在获得越来越广泛的使用。嵌入式 系统中主要的一类是便携式系统。一方面，由于便携式系统只能靠电池供电，而 电池电量十分有限；另一方面，为了提高便携式系统的性能，需要提高处理器速 度，增加更多的外围设备，因此会造成系统功耗的上升。因此，高性能与电池有 限电量之间的矛盾越来越突出，功耗成为了嵌入式系统重要的性能指标。嵌入式 系统低功耗设计的目标是在满足性能需求的前提下，尽可能地降低系统的能耗， 延长设备的待机时间。 嵌入式系统低功耗设计是解决这一矛盾的有效手段。它包括硬件低功耗设计 和软件低功耗设计两个方面。本课题以远程心电监护系统为基础，从软硬件各方 面考虑降低该系统功耗，设计出能满足实际需求的便携式系统。该系统能够动态 的采集病人心电信号，并进行压缩处理，再通过g p r s 无线网络向医院服务器传 输。 本课题研究的主要内容包括：深入研究电池充放电性质，理论上了解电池放 电两个特性：速率容量效应和恢复效应：建立了高级电池分析模型，该模型可以 用来预测不同负载下电池寿命和电池剩余电量，并体现了电池的放电特性。结合 该模型和系统软硬件特点，提出了动态调节电压频率的电池优化算法。在优化算 法基础上进行硬件电路设计，为软件提供有效的底层d s p 平台。最后软件设计 主要实现高效的压缩算法和低功耗优化算法。最终本远程实时心电监护系统无论 是性能还是功耗都取得了较好的效果。 关键词：嵌入式系统低功耗动态电压频率调节d s p 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o s i v eg r o w t hi nt h ep o r t a b l ee l e c t r o n i c sm a r k e t , t h ee m b e d d e d s y s t e mi sb e i n gu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y p o r t a b l ed e v i c ei so n eo ft h ee m b e d d e d s y s t e m s i ti sw i d e l ya p p l i e dw i t hp o r t a b l ed e v i c e sw h i c hu s eb a t t e r y b e c a u s eo ft h e r e s t r i c t i o no ft h eb a t t e r yc a p a c i t y , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mi s a ni m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r m n e t e r i ti sv e r yi m p o r t a n tt om i n i m i z et h ee n e r g y c o n s u m p t i o no f a ne m b e d d e ds y s t e ma n de x t e n dt h el i f e t i m eo f b a t t e r yw i t h o u tl o s i n g i t sp e r f o r m a n c e o nt h eo t h e rh a n d , i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e e m b e d d e ds y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h es p e e do fm i c r o p r o c e s s o ra n dt oa d d t h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t s h o w e v e r , t h i sw i l li n c r e a s et h es y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o n t h eg a pi sb e c o m i n gw i d e rb e t w e e nh i 曲p e r f o r m a n c ea n dl i m i t e dc a p a c i t yo f b a t t e r y t h ep u r p o s eo fl o wp o w e rd e s i g ni st oh l i n i m i z et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fa l l e m b e d d e ds y s t e ma n de x t e n dt h el i f e t i m eo f b a t t e r yw i t h o u tl o s i n gi t sp e r f o r m a n c e l o w p o w e rd e s i g ni sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht os o l v ea b o v ep r o b l e m i tc o n s i s t so f h a r d w a r el o we n e r g yd e s i g na n ds o f t w a r ee n e r g yd e s i g n o u rp a p e ri sb a s e do ne c g e m b e d d e ds y s t e ma n dd e s i g n sal o wp o w e rs y s t e mt h r o u g hs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h i sp o r t a b l ed e v i c ei ss a t i s f i e dw i t hr e q u i r e m e n t i tc a ns a m p l et h eh e a r ts i g n a l ， c o m p r e s st h ee c gd a t a , t h e ns e n dt ot h eh o s p i t a lb yg p r sw i r e l e s se o m m t m i c a t i o n m ym a i nw o r ki n c l u d e sa n 丑l y z i n gt h ee l e c t r o c h e m i c a lp r i n c i p l eo f t h ew o r ko f t h e b a t t e r y , a n ds t u d yt w oi m p o r t a n te f f e c t so ft h eb a t t e r y ：m t ec a p a c i t ye f f e c ta n d r e c o v e r ye f f e c t w eb u i l da l la d v a n c e db a t t e r ya n a l y t i c a lm o d e l t h a tm o d e lc a n p r e d i c tt h eb a t t e r yl i f ea n dt h er e m a i n i n ge n e r g yo ft h eb a t t e r y , r e f l e c tr a t ec a p a c i t y e f f e c ta n dr e c o v e r ye f f e c t i ti ss u i t a b l ef o rr e g u l a rl o a da n dv a r i a b l el o a ds i t u a t i o n b a s e do nt h em o d e la n do u rs y s t e m , w ei n t r o d u c eo n em e t h o df o rb a t t e r yl i f e o p t i m i z a t i o n ：d y n a m i cv o l t a g ea n df r e q u e n c ya c a l i n gm e t h o d t h e nw ed e s i g na l l e f f e c t i v eh a r d w a r ec i r c u i to nt h a tm e t h o d , u s i n gd s pe m b e d d e ds y s t e m f i n a l l y , 0 1 1 1 e c gs y s t e mh a sag o o de f f e c ti nb o t hp e r f o r m a n c ee n dp o w e r c o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , l o wp o w e r , d y n a m i cv o l t a g ea n df r e q u e n c y s c a l i n ga l g o r i t h m , d s p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j b 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲立眨魄螂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j b 宝工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 帮易 导师签名：鼍丝日期：趔 第一章绪论 1 1 嵌入式系统介绍 第一章绪论 嵌入式系统一般指非桌面系统，是以应用为中心、以计算机技术为基础、软 件硬件可裁剪、适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的 专用计算机系统【l l 。随着嵌入式系统的不断发展，其概念也在不断延伸和扩展， 也有人将嵌入式系统定义为：基于微处理器的，用以实现一项或多项任务，并且 不能像个人电脑( p c ) 那样被最终用户所编程的系统【2 】。嵌入式系统的最大特点是 其具有目的性或针对性，即嵌入式系统是为了满足某个特定领域内的需求而开发 的，因此它常常受到空间、成本和存储等条件的限制。这也决定了嵌入式系统在 实时性及功耗等方面较其它计算机系统而言，有较为苛刻的要求i l j 。 嵌入式系统包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器或微处理器、存储器及 外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( 0 s ) ( 要求 实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。 应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交 互作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。据不完全统计，全世界嵌入式处理器 的类型己经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有数十个系列。随着人们对嵌入式产 品功能和性能要求的不断提高，以8 0 5 1 和z 8 0 为代表的8 位控制器在运算速 度、支持的外设种类、寻址空间及对操作系统支持等方面己很难满足高端嵌入式 系统的需求。从9 0 年代后期开始，随着网络时代的来临和无线通讯技术的发展， 许多嵌入式设备需要更智能化和更强的计算能力，如：采集、处理和传输音频或 视频数据；运行图形用户界面；支持无线通讯和以太网通讯协议等。以a r m 、 p o w c r p c 、m i p s 、d s p 等为代表的高性能嵌入式处理器，具有良好的可扩展性和 丰富的软件支持，逐渐成为业界发展的主流，其发展势头己经赶上并超越了p c 处理器。这种高性能处理器用来满足以下几个方面的要求：更复杂的控制算法、 网络通讯以及更成熟的人机界面。与p c 处理器不同的是，高性能嵌入式处理器 除了将计算速度作为性能评价指标外，还将系统集成度和整体功耗考虑进去。同 时两个指标又相互促进，相互制约。如何取得性能的平衡，使之符合应用豹需求， 成为嵌入式系统设计的重点之一“。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 北京工业大学硕士学位论文 1 嵌入式系统通常是面向特定应用领域，与通用型系统的最大不同就是嵌入 式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从 而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，和网络的耦合也越来 越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的 具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 商度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中体现较高的竞争 力。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具备自举开发的能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 嵌入式系统正在获得越来越广泛的应用，如：手提电脑、手机、个人数字助 理和移动设备等便携式设备，以及工业上的各种控制设备，这使得它的硬件与软 件的设计得到越来越多的关注。而嵌入式设备的电源管理作为保证其性能的一个 重要方面，正在成为理论研究的热点。虽然提高电压可以提高设备性能，但是同 时也会产生更多的热能等其它消耗，而这些多余的消耗又会影响系统的效率。因 此，降低系统的功耗是更为实际的解决方法，低功耗设计也就成为嵌入式系统设 计中非常重要的环节，是目前高性能嵌入式系统的一项重要挑战，包括更复杂的 处理器控制算法，更严格的功耗管理，所以设计人员要从每一个细节来考虑降低 功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。 1 2 d s p 系统介绍 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经 逐渐发展成为一门关键的技术学科。d s p 芯片，即数字信号处理器，是专门为快 速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊计算结构的微处理器，其处理 速度已高达2 0 0 0 m i p s ，比最快的m c u 还快1 0 - 5 0 倍。目前，在微电子技术发展 的带动下，d s p 芯片的发展日新月异，d s p 的功能日益强大，性能价格比不断上 升，开发手段不断改进。在当今的数字化时代背景下，d s p 已成为通信、计算机、 第一章绪论 消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。同时d s p 已 成为集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。在 国外，d s p 芯片已经被广泛地应用于当今技术革命的各个领域；在我国，d s p 技 术也正以极快的速度被应用在通信，电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、 军事、航空航天、医疗、家用电器、电力系统等许多领域中，而且新的应用领域 在不断地被发掘。因此基于d s p 技术的开发应用正成为数字时代的应用技术潮 流【4 】。 d s p 芯片一般具有如下的一些主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成多次乘法和多次加法。 ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持。 ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 7 ) 可以并行执行多个操作。 ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 ( 9 ) 与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 1 3 嵌入式系统低功耗的重要性 随着无线网络技术和集成电路设计制造技术的密切结合，嵌入式系统在世界 范围内迅速发展，手机，笔记本，商务通等嵌入式系统越来越普及。一部分嵌入 式系统以轻便小巧、功能强大、便携性强为特点，在目前没有更好的可以为此嵌 入式系统供应能量的情况下，电池则是保证它稳定可靠工作的唯一能源。因此， 电池的正常使用时间以及使用寿命成为嵌入式系统发展的一大制约点。单纯依靠 电池制造工业的发展，寄希望于寻找更好的电池材料或者利用更好的技术延长电 池的使用时间和寿命是不够的 5 1 ，因此，改善嵌入式系统的功耗，节约能源使用 显得异常必要。更重要的一点是，嵌入式系统特别是很多重要的实时控制系统中， 对设备的可靠性要求非常高。功耗增加使得芯片温度持续上升，有可能造成整个 系统死机，特别是某些功耗“热点”区的瞬时功耗甚至可能烧毁整个芯片，这往往 会造成嵌入式应用中某些重要的控制系统故障，带来不可估量的损失。 进入s o c 时代，低功耗已经成为与面积和性能同等重要的设计目标，在特定 领域，功耗指标甚至成为第一大要素。s o c 的低功耗设计和评估技术已经成为s o c 设计的重要挑战之一。低功耗需求是$ o c 发展的推动力之一，如何降低功耗又是 s o c 面临的艰巨任务之一。s o c 技术的发展使得单个芯片集成所有的处理部件成 北京工业大学硕士学位论文 为可能，这些处理部件可以包括基本的晶体管、不同的处理器核、内存单元甚至 模拟单元。包含了如此众多的部件，功耗设计将成为一个关键且复杂的课题州。 当然，除了这些主要的应用，在其它的应用领域中，降低芯片的功耗一样很 重要。设计和生产厂家依然将芯片的性能作为最终的目标和竞争手段，然而，在 现有的技术下，功耗问题已经给芯片性能的进一步提高带来了极大的限制。因此， 降低功耗已经是一个无法再回避的问题了。 嵌入式系统低功耗设计优点如下 7 1 ： 1 节约能源：能源危机问题越来越受到世界各国的重视。为了降低功耗， 各国都采取了多种多样的低功耗措施，如1 9 9 2 年美国环境保护署 ( e n v k o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ，e p a ) 提出了以低功耗为主题的“能源之星” ( e n e r g ys t a r p r o g r a m ) 计划，欧共体最近提出的“电源管理规范”等。节约能源已经 成为世界性的不可逆转的潮流，低功耗设计正是基于这一要求提出来的，充分体 现了现代环保低功耗的要求。 2 减轻体积重量：有些特殊场合无法提供所需要的交流电源，这些都给产 品的使用带来不便。使用电池供电后，产品的体积和重量与电池关系密切，低功 耗系统将缩小体积减轻重量。 3 降低系统功耗后，往往可以提高产品的寿命与使用时间。对于使用电池 的系统，降低功耗后，可延长电池使用时间，这对于一些特殊环境如野外、井下、 空中和无人值守检测等领域具有重要意义。 1 4 电池供电系统设计 随着使用电池供电的嵌入式系统的数量的日益增长，电池寿命成为了嵌入式 系统设计的关键问题。系统设计人员要想使电池寿命达到最大，必须认真地考虑 电池的性能和参数，将电池研究和选择作为系统设计重要的一环。近来的研究表 明，电池所能提供的电能多少随电池放电形式不同而有很大变化。人们正在试图 研究出一种新的电池放电方式，从而使电池充分释放其能量，延长寿命。其工作 主要集中在电池模型研究和电池工作策略设计两个领域例。 1 4 1 电池模型 电池放电过程中发生一系列复杂的电化学反应。不同种类的电池，所发生电 化学反应也有所不同。电池模型可以将电池参数从复杂的电化学反应中抽象出 来。通过建立电池模型来得到有关电池寿命的参数。电池模型是电池供电系统设 计的有效工具，它可以分析出不同设计选择下电池放电性能，而不用再针对每一 种选择进行测量，节省时间和经费。 第一章绪论 电池模型有许多不同的分类方式。按照负载变换形式分类、按照负载的大小 分类和按照分析方法分类等，而每一类又有不同的模型与之对应。电池模型的选 择十分重要，直接影响到能否准确的模拟电池充放电和电池优化策略的效果。电 池模型的选择要从一下几点考虑： 1 电池材料 2 系统负载情况 3 仿真计算量 4 模型的精度 综合考虑上面各个因素从中确定适合系统的最佳电池模型。 1 4 2 电池工作策略 根据上面的电池模型，可以得到电池寿命相关的参数，根据这些参数进一步 找到高效的电池工作策略。电池工作策略的研究大致分为两点考虑： ( 1 ) 单电池系统工作策略。 ( 2 ) 双电池或者电池组系统工作策略。 在单电池供电系统中，电池工作策略主要通过如何优化调节电池供电系统自 身软硬件结构，包括以下电池驱动策略：工作频率调节【9 】，任务调节【l o l ，系统电 压调节 1 ，动态功耗管理【1 2 1 。 另一类是在电池组供电系统中，主要通过如何调度每个电池工作，优化电池 组总寿命，这类方法又分为：静态调度和动态调剧1 4 1 。 1 5 本课题的前序工作 本课题源于北京市自然科学基金项目：“远程实时心电监护系统关键技术研 究”。本课题的主要目的是设计出低功耗的心电数据采集系统，用来采集人的心 电信号并压缩处理，再传输到上位机进行输出。在本课题研究之前，同实验室的 2 0 0 0 级硕士研究生刘艳、2 0 0 1 级硕士研究生寇鹏和2 0 0 2 级硕士研究生成巍曾经 对心电信号的采集系统和压缩算法有较为深入的前期研究。他们前期工作中的研 究成果对本课题研究有重要的参考价值。 1 6 本课题的研究内容 本课题是在他们工作基础之上开展的，原来的系统主要注重采集心电信号和 压缩算法方面的研究，但是整个系统的功耗很高，无法满足实际使用的需求。本 北京工业大学硕士学位论文 课题研究的主要内容是降低整个远程实时心电监护系统的功耗，提升其工作性 能，提高系统的可用性，使得整个系统能更好的为病人服务。 本课题研究领域跨越了设计嵌入式移动系统的许多方面。图1 1 显示了这些 方面的层次性【1 5 】。 低功耗软件系统 ， ：o 、藏q 能量消费者 ，功率管理，】 低功耗硬件系统 t 卅 电池模聚 能量源 电化学性质 图1 - 1 研究领域层次性 f i g u r e1 - 1h i e r a r c h yo f a r e a so f r e l a t e dw o r k 在黑线上面的是能量消费者，一般在这两层的研究重点是降低系统平均能 耗。最上面的消耗层是低功耗的软件层设计，主要是通过改变算法、因任务调节 系统的性能、使用低功耗指令和算法去控制系统等方法降低功耗。软件层的下面 是硬件层，在系统整体设计的开始就要充分考虑节能，要为软件提供动态管理的 可能，方便软件对系统各个部分进行功耗的管理和控制。 黑线的下面是能量源。能量源中上层是电池模型，通过抽象出电池放电行为 对放电时问进行估计和预测。部分电池模型被电池的设计者应用于对电池参数的 优化，部分电池模型由电池使用者应用于电池供电系统低功耗研究：最底下是电 化学层，主要是研究如何在新的电池中增加电池单位质量的电量，为移动系统提 过更多的能量。并且电池模型也是在电化学层基础上建立起来的。 本文章节组织是按照图1 - 1 从下到上的顺序进行逐步介绍。首先研究能量源， 即电池，研究电池的电化学性质，从中总结规律并建立有效准确的电池模型。在 电池模型的基础上仿真低功耗优化算法，从而确定有效的低功耗调节方法，为如 何设计低功耗软硬件系统提供相关的理论支持。将上述理论实现，设计出低功耗 软硬件系统并进行测试，实际验证理论的正确性。 第二章电池理论与电池模型 第二章电池理论与电池模型 本课题是基于远程实时心电监护系统，该设备要求病人能随身携带至少工作 一天，系统采用电池供电的方式来供给能源。为了方便便携的特性，所以电池的 体积就要求很小。由于体积的限制，电池的容量就不可能太大。远程实时心电监 护系统需要随时采集大量的心电数据、压缩数据、再通过无线发送，这些操作的 耗电量很大，为了方便使用，不可能频繁的更换电池，如所有电池供电系统一样， 要在有限的电池容量下，尽可能的延长电池寿命，这是本课题的一个重要研究问 题。 为了延长电池的使用时间，要充分研究电池的工作原理，了解电池的放电特 性，才能更好的利用电池，使电池的容量发挥到最大。本章研究工作按照如下步 骤进行：首先介绍电池工作的电化学原理、电池寿命和放电特性；之后阐述了研 究电池模型的重要意义。最后，基于电池工作时内部物理化学过程，介绍一种电 池的分析模型，该模型可以精确的预测在固定负载和可变负载条件下电池的寿 命。该模型具有形式简单，仅需确定两个参数；计算效率复杂度低等特点。 2 1 电池理论知识的相关介绍 2 1 1 电池的工作原理 近年来涌现出许多小、轻、高容量的可充电电池，被广泛应用于移动设备中。 其中包括：镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、可重复使用的碱 性电池。这些电池的能量密度和大致的流行时间如图2 1 所示。 北京工业大学硕士学位论文 n i c k e ln i c k e lm e t a l - l i t h i u ml o nr e u s a h i el i t h i u m c a d m i u m h y d r i d e ( 1 9 9 1 ) a j k a l i n e p o l y m e r 09so)(1990)(1902 1 9 0 9 ) 图2 - 1 不同电池的浓度和开始使用时间 f i g u r e2 - 1e n e r g yd e n s i t ya n dy e a ro f f i r s tc o m m e r c i a ld e p l o y m e n tf o rd i f f e r e n tb a r r y t e c h n o l o g i e 3 下面以锂亚硫酰氯电池为例嘲详细研究电池的放电工作过程，见图2 - 2 。电 池内部包含一个阳极( 锂) ，一个阴极( 碳) 和电解液，电解液使两极分开并且 提供两者之间电流流动的媒介。电池放电期间，阳极上发生氧化作用导致： 带负电的电子的产生，通过外电路流动。 带正电的锂离子的产生，通过电解液( s o c b ) 扩散到阴极。 阴极得电子，还原反应生成c l 离子，c t 离子与带正电的锂离子在阴极反应 区结合产生不可溶解的l i c l ，覆盖在阴极上，反应区由于l i c i 的覆盖，不能继 续发生反应，从而使反应区失效，这个现象称为正极钝化。在放电过程中，越来 越多的反应区失效，最终导致电池完全放电完毕【1 5 1 。 反应机理：4 l i + 2 s o c l 4 l i c i + s 皱+ s 图2 - 2 锂离子电池的基本结构 f i g u r e2 - 2b a s i cs u u c h t u r eo f a l i t h i u m t s i o n y lc h l o r i d eb a t t e r y 加 能 一西芒li一套js基凸xpoc山 第二章电池理论与电池模型 2 1 2 电池容量 电池容量可以用三种方式描述【9 】： 理论容量( t h e o r e t i c a lc a p a c i t y ) ：理论容量是指存储在电池中的所有能量， 高于电池实际所能释放的能量。 标准容量( s t a n d a r d c a p a c i t y ) ：标准容量是指电池在单位负载下所能释放的 能量，通常电池生产商标注在电池产品上。 实际容量( a c t u a lc a p a c i t y ) ：实际容量是指电池在给定负载条件下，电池所 能释放的能量，通常被用来作为判别一个电池效率的量度。 实际容量可以超过标准容量，但不能够超过理论容量。研究电池节能理论的 目标就是让电池的实际容量尽可能接近理论容量，即充分发挥电池的能量。 2 1 3 理想电池性质和放电时间估计 电池应用中有两个重要的参数为：电池的电压和电池的容量。理想电池在整 个放电的过程中电压是恒定的，直到电池放电完全结束才会从初始状态骤变到 零，并且电池的容量不随负载的变化而改变，永远保持恒定如图2 3 所示。 o 警 = 多 r a t eo f l o a d 图2 - 3 理想电池特性：恒电压和容量不随负载变化 f i g u r e 2 - 3 c h a r a c t e r i s t i c s o f a r t i d e a l b a t t e r y ：c o n s t a n t v o l t a g ea n d c o i s t r u t c a p a c i t y 不同材料的电池在对外设供电时提供的电压值是不同的，电压值的大小由组 成电池的材料决定。理想电池电压值被认为是额定不变的，例如：镍镉电池和镍 氢电池的电压值为1 2 v ；锂电池的电压值大多数为3 6 v 。电池容量单位为安培 小时或者毫安小时，也可被称为电池的c ，。珥。c 啦是一种电池的工业标准，来 标定在一定负载电流下电池容量“州”1 。例如负载电流在l c 时某电池的c 。衄为 5 0 0 m a - h o u r s 则电池负载电流为5 0 0 m a ，然而另一个电池在1 c 时c k 噬为 1 0 0 0 m a - h o u r s 则电池负载电流为1 0 0 0 m a 。在o 1 c 时前者的负载电流为5 0 m a ， 后者电流为1 0 0 m a 。c 。血g 的优点是为电池制造商提供了在相似的电池结构、不 同容量下的放电曲线。c 咖被用来表示在给定放电时间下电池的容量。 估计电池放电时间常用方法有两种，都由负载的种类决定。如果负载是恒电 流负载，则放电时间t 为：电池的容量c 除以负载电流值i ，即t = c i 。如果负 扫一3b导o o普日香 北京工业大学硕士学位论文 载是恒功率负载，则放电时间t 为：电池额定电压v 乘以电池放电容量，再除 以平均功率p ，即：1 气c v ) p 。额定电压乘以电池的容量被称作电池的能量单 位是w a t t h o u r s ( 1 w h = 3 6 0 0 j ) 。实际当中利用上述的理论来估计电池容量在负载 很大的时候将会产生很大的误差，往往过高的估计电池的容量，后面将具体说明 过高估计的原因。 2 1 4 非理想电池性质 理想电池具有的在放电的时候恒定电压，电池容量不随负载而变化这些特性 在非理想电池下将会有很大的改变。电池电压随着电池放电将会下降，从图2 - 4 中两条放电曲线可以看出，电池分别按照负载1 和负载2 进行放电，随着放电的 进行，电池两端的电压也逐渐发生不同程度的下降。 从图2 - 4 可以看出，两种不同的放电模式下，电池两端电压下降的速度不一 样，曲线1 的负载比曲线2 的负载要小，因此曲线1 电压下降速度也较缓，曲线 2 电压下降的速度较快。电池容量与电压值有一定的关系，这体现了非理想电池 特性之一：即速率容量效应。 醢 里 雪 t i m eo fd i s c h a r g e 图2 4 非理想电池特性 f i g u r e2 - 4n o n - i d e mk 娜p r o p e 啊 非理想电池具有两个主要的特性：速率容量效应和恢复效应。 1 速率容量效应：电池实际容量会随着负载的不同而不同，负载越大电池 的容量越小。 2 恢复效应：当电池停止放电或者负载减小的时候，由于扩散作用离子浓 度趋于平衡，电压回升，电池寿命也将增加。 几乎所有电池优化工作策略的研究都是通过充分利用这两个特性，来延长电 池的寿命。下面分别详细介绍这两个特性： 速率容量效应 以镍镉电池为例，图2 5 ( 左) 表示出随着负载电流的增大，电池的容量将 急速下降。通过曲线可以得到如果以0 1 c 放电比率放电l o 个小时和1 0 c 放电比 第二章电池理论与电池模型 率放电o 1 小时，两种不同的放电模式下，电池实际容量将会有很大差距，后面 一种放电方式下电池实际容量不到前者的4 0 。 、 0 1 9n 2 cn 转1 c2 c1 0 c o h “- mr a m 图2 - 5 速率容量效应 f i g u r e2 - 5r a t ec a p a c i t ye f f e c t 图2 5 ( 右) 为固定电流放电下，电池电压时间曲线。如图所示，放电电流 分别为1 1 ，1 2 且1 1 = 2 1 2 。其中虚线为理想电池放电情况，电池电压不变。电池寿 命分别为t l ，t 2 且t l - t 2 ，2 。而实线为实际电池放电情况，电池电压随放电的进 行而降低，电池寿命分别为l l ，k 。不仅l t t 1 ，i - a t 2 ，且l 1 l + 艿。图2 4 5 充分体现了延长电池寿命的重要特 性一一恢复效应。 2 2 电池模型 2 2 5 电池模型的意义 众所周知，电池放电过程中发生了一系列复杂的电化学反应。不同种类的电 池，所发生电化学反应也有所不同。电池模型可以将电池参数从复杂的电化学反 应中抽象出来。通过建立电池模型来得到有关电池寿命的电池参数。放电电流( 负 载) 对电池寿命有直接的影响，建立和分析模型目的就在于对于某些电池，使用 该模型可以得到不同负载下电池寿命的准确预测。 电池模型是电池供电系统设计的有效工具，它可以分析出不同设计选择下电 池放电性能，而不用再针对每一种设计选择进行测量，从而节省时间和经费。 在选定电池的情况下，系统设计者还可以利用电池模型去评估系统负载的选 择，选择一种最适于延长电池寿命的工作放电形式。对于软件的优化算法也可以 在电池模型上进行仿真，从而确定最佳的系统运行优化算法。 2 2 6 电池模型的分类 图2 7 表示电池容量与负载的关系曲线，在很低的放电比率下，放电时间按 周月年来衡量，电池容量由自放电现象决定，在中间较宽的负载阶段，容量可被 看作是一个常数。在高放电比率阶段电池容量随着放电进行开始迅速降低。表 2 1 列出了在不同的负载下所对应的电池模型。 第二章电池理论与电池模型 l o a dp o w e r ( 1 0 9 ) 图2 - 7 电池容量与负载的关系 f i g u r e2 - 7b a t t e r yc a p a c i t yv e r s u sl o a dp o w e ro v u = rw i d er a n g eo f l o a d s 表2 1 负载类型与对应电池模型 t a b l e2 - 1r e g i o n so f o p e r a t i o na n dc o r r e s p o n d i n gb a t t e r ym o d e l s 负载类型模型 1 。平均和峰值负载 0 1 c恒定负载 4 负载变化频率 。 2 “ 第二章电池理论与电池模型 令y = 国2 d ( t f ) o 带地- 1 3 式，得到： - 一掣c = 盟v f a c o c m t t m i 薹e 掣弦 + 与1 。 一鲁。 l一马粤：墼【cf(f炒+2妻队咖粤芋咖】vfacoc j o l o f “1 急1 。 1 令 口：坐 盯= v f a ( o c p ( d 2 1 5 2 1 6 2 1 7 2 1 8 代入上式得到 口= e j ( f 逑+ 2 羔r i ( 咖删( d r 2 - 1 9 此式只包含负载电流i ，电池寿命l 两个变量和d 猡两个参数。口的单位为 库仑，表征电池的容量。单位为s 1 表征实际电池的非线性。当a c o 乘积增大 时，既电池体积变大，电池容量增大，口增加。当d 变小时，变小。越大， 实际电池性能越接近理想情况，当芦足够大时式2 1 9 中的第二项可以忽略。此 时模型就退化为理想电源模型。 2 3 1 固定负载模型 对于负载为固定电流的特殊情况，f ( f ) = ，。式2 - 1 9 中的i 可以从积分符号 内提出，得到下式； 口= i l 1 + 2 薹甏， 2 之。 式中的求和项随着m 的增加，减小得非常快。经过仿真可以得到2 - 2 0 中数 列二生三手前1 。项之和与前1 0 0 0 0 0 项之和几乎是相等的。所以仅仅使用 1 0 项就可以保证足够的精度。使用1 0 0 0 0 0 项的和来计算，只会增加计算的复杂 度，并不能提高太多的计算精度。所以式2 - 2 0 进一步简化为： 一1 l 1 + 2 薹锚 2 埘 对固定负载的电池寿命模拟还有一种经典的p e u k e r t 模型，p e u k e r t 提出，在 北京工业大学硕士学位论文 任意放电电流下，放电电流与放电终止的时间有如下关系： c = i “t 2 - 2 2 式中i 为放电电流，单位为a ，t 为电池寿命，单位为h ，n 反应电池在较高 电流下的性能，通常取值在1 1 1 3 ，越接近1 越好。c 为电池的容量单位为安 培时a h 。 p e u k e r t 模型形式上和本文介绍的模型相似，也只有两个变量i 和t ，两个参 数c 和n 。但p e u k e r t 模型不能适用于可变负载。特别是负载中有为零的过程( 恢 复过程) ，此时平均电流不能精确地反映出电池放电过程，从式2 2 2 可以看出 p e u k e r t 模型对于所有的平均电流一样的负载情况，都认为具有相同的电池寿命， 这显然是不正确的，不能反映出恢复效应，p e u k e r t 模型就失效了。 2 3 2 可变电流负载 对于可变负载的情况，可将时变的电流曲线近似的看成若干段恒定电流的组 合。如图2 8 为一个时变电流近似处理的示例。 1 1t 2 - t - t n 图2 - 8 可变负载的阶段化 f i g u r e2 - 8 a i r c a a p p r o x i m a t i o no f v a r i a b l el o a d 此时时变负载i o ) 被近似的表示为一个n 阶的分段函数，表达式如下： n - i a l t u ( t - t k ) - u ( t - t k + 1 ) 】 2 - 2 3 其中u ( f ) 作为阶越函数，表达式如下 = t ：蒜 将式2 - 2 3 代入2 1 9 0 0 经过化简得到 2 - 2 4 第二章电池理论与电池模型 其中 掣， p 一声2 肼2 ( 三一缸h ) 一p 一，2 爪2 ( 上一， 驰荟地+ 1 _ + 2 m = l l 焉f n 】七=o，7 口z s , f ( l ，t k ，k l ，历 2 - 2 5 2 2 6 枷，= t k + 1 - t k + 2 耋丝茅 2 讲 同样，仅使用1 0 项就可以保证足够的精度。所以2 - 2 9 化简为 f ( t , t k , t k + l , 历= t k + l - t k + 2 蒯e - # 2 m 2 ( l - t k p “) _ 历e - ：m 2 ( l - t , ) 2 - 2 8 特别是，当n = i 时，式2 - 2 6 将简化为特殊情况恒定负载时的式2 2 1 。 2 3 3 电池参数估计 前面两个小节分别介绍了在固定负载和可变负载下电池模型的分析表达式， 该式建立起负载电流i 和电池寿命l 的解析关系。表达式中有两个参数口、口。 其中口表征电池的容量。表征实际电池的非线性。对实际每个电池进行仿真前 首先要分别确定这两个参数。可以对实际电池进行放电试验，获取试验数据来估 计两个参数。为了方便计算，试验可以使用固定电流放电的形式。 参数估计方法为：选取一组负载 五，厶，匕) 对电池放电，测量电池的端 电压，端电压从初始值v o 逐渐跌落到截止电压r 。将此时间记录下来作为试 验得到的电池寿命，得到一组电池寿命 厶，厶，匕) 。需要确定参数口、取 何值，以式2 - 2 1 计算出的模型预测的电池寿命尽可能接近实际试验测得的真实 电池寿命。在不知道l 的情况下，很难从式2 - 2 1 直接求出口、口。但可以通过 对测得的这组电池寿命 厶，岛，) 求取相应负载电流的方法估计参数。设 五幻为气) 的预测值，根据固定负载下的电池模型式2 - 2 1 ，有 免) 2 1 0 1 ，- 8 2 m 2 l ( t ) 矧 问题现在转化为确定参数口、，对于所有的1 七肘使五”尽可能的接近 。) 可以使用最小二乘法的方法来实现参数估计最小二乘法的原理是使误差 北京工业大学硕士学位论文 的平方和达到最小，即要求：。i ( k ) - - ” 2 最小。令 缈( 口，) = ( ”一：毒摭y 2 。，2 + 2 蚤爷 一。 要想使烈口，励达到最小列方程 o o 2 3 3 求解该方程组就可得到电池模型参数1 2 和，准确的测量值越多，则求解出 的参数就越接近实际值。因此，电池放电测量次数越多( m 取值越大) ，则参数 口和的估计越准确，且m 值最低为2 。由此确定了电池的仿真模型。 2 4 本章小结 本章介绍了一种高效准确的电池模型，该模型可以反映出电池寿命和放电过 程以及电池本身参数之间的密切关系，可以用来预测不同负载下电池的电池寿命 和任意时刻电池剩余的能量，可以反映电池的速度容量效应和恢复效应，适用于 固定负载和可变负载情况。利用本模型可以计算电池寿命