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，通过电池调度延长便携式系统的寿命
- Benini△ G. Castelliz A. Maciiz E. Maciiz M. Poncinoz R. Scarsiz
博洛尼亚大学 意大利，博洛尼亚 40136△
都灵理工大学 意大利，都灵 10129
摘要
在最新几代的电子产品中，因为经济和制造上的限制，多电池电源的应用变得越来越流行。然而，一个分区电池往往不能释放一个和它相同容量的单片电池相同的电量。在这篇论文中，我们定义了电池调度的概念，我们研究关于最优电量传输问题的策略，并且，我们还研究了这个策略与不同的电池子系统的配置间的关系。根据不同的工作负荷得出的结果表明，在最好的情况下，选择合适的调度方式可以使系统的寿命接近同等容量的单片电池保证的1%。
- 引言
最新一代的许多便携式电子系统使用由多节电池构成的电源，这样做主要是为了增加用户在考量电池
子系统的重量和容量的使用时的灵活性。在开始长时间的工作之前，例如洲际航班，通常用第二个电池组替换笔记本电脑的光盘驱动器，而当短途国内飞行时，只使用一个电池。
根据用户的特定需求灵活地修改电池子系统的设置不是采用分区电源的唯一动机。两种电池的制造限制（定制设计的特别大小和容量的电池组只用于高端电子产品，低成本产品通常使用标准形状和容量的电池）和应用（电池组需要适应外壳的形状和大小）对选择单片电池有同等的重要性。因此，支持多电池供电成为当前电子产品的主要需求，并且最近，能够实现多电池设备的技术取得了重大进展[1]。其中，智能电池（电池配备专门的硬件，在软件控制下提供充电状态信息），专用电池-总线接口（例如，Intel的SMBUS[2]，一个兼容ACPI的接口[3]，类似飞利浦I2C[4]的双线接口，可以实现智能电池与系统之间的信息交换），和电池选择电路在多电池电子学中发挥着越来越重要的作用（例如O2Micro公司制造的智能充电器、通用智能充电器和三菱半导体制造的选择器集成电路等）。
不幸的是，将总容量分配给不同电池组的选对从电池子系统中提取的总电荷有一些不利影响。这有两个原因：首先，一个选择电路是必需的，以允许一个平稳，透明的过渡系统从一个几乎放电的电池到下一个；其次，更重要的是，在固定的系统工作负载下，电池保证的寿命并不随容量线性增长。例如，如果单片电池的容量C保证了LT时间单位的寿命，两组容量为C/2的电池，一组接一组放电，寿命小于LT[7]。作为额外的副作用，由于额外的包装开销和电池控制电路的复制，几个小电池往往比一个具有相同总容量的单片电池更重。
重量增加只能面对电池厂家;另一方面，通过采用智能策略从电池子系统中提取电荷，可以解决可用电池容量下降的问题。在[8]中，提出了一套适用于多电池供电的电池驱动动态电源管理方案。它们通过适当地修改电流负载来帮助电池最大限度地使用，它们都基于这样一个事实，即从电池中提取的电量取决于电流随时间的变化[9,10,11,12,13]。当时的想法是用一种替代的方式来利用各种电池组，而不是像现在市场上大多数电器那样，遵循严格的顺序方案。这种选择背后的基本原理是，如果允许电化学电池在高电流放电一段时间后休息，它们可以回收一定数量的可释放电荷。结果表明，对于我们试验过的一些策略，连续放电的情况下电池寿命增加了10-15%。本文扩展了多电池管理的思想。特别地，我们介绍了电池调度的概念，并探讨了不同的调度策略对可实现的寿命增长的影响。
更正式地说，我们解决了以下问题:给定一个分区的电池子系统(即， N个电池组，每个电池组都有自己的标称容量)，并对系统工作负载进行了优化，得到了在给定工作负载下使总生存期最大化的最优调度策略。
我们研究了三种通用性越来越强的调度算法，以及所需选择电路的复杂性，并对不同配置和最多包含四个不同容量电池组的电源子系统进行了广泛的实验。这个选择是根据SMBUS规范[2]做出的，该规范指出，将一个电池划分为四个以上的包可能不会成功，这是由于该解决方案引入了固有的管理开销。系统工作负载采用了三种不同特性的电流波形。实验结果表明，该调度方案能够完全补偿由于采用分块电池供电子系统而造成的电量损失。事实上，与单片情况相比，寿命的仅减少1%。
本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们回顾了区分电池和理想电源的两个宏观现象，这两个现象是基于调度算法，我们提出了优化从分区电池电源的电荷提取。第3节详细描述了我们设计的三类调度算法。实验结果将在第4节中收集和讨论。最后，第5节对本文进行了总结。
- 电池性能
从系统设计者的角度来看，他们感兴趣的电池的两个物理特性:输出电压和电池容量。在理想的电池中，电压在一个完整的放电周期内是恒定的，当电池完全放电时，电压降至零。但实际上，电压随放电时间的增加而降低。事实上，当电池的输出电压低于给定的电压阈值(例如，标称电压的80%)时，电池就被认为是耗尽的。使用电池为数字系统供电时，这种行为促使DC-DC转换器用于稳压。
除了这个直观且众所周知的事实，还有两个因素可以区分真正的电池和理想的电源，这也是我们在本文中讨论的电池调度策略的基础:
·电池的容量取决于放电电流。在电流较大的情况下，电池将化学储存的能量转化为可用电能的效率较低。当负载电流增加时，电池容量逐渐偏离标称值。
·当电池得到一定的休息时，它可以回收一些可释放的电荷。由于电化学现象，如果放电周期与不产生电流的周期交叉，电池可以提供更大的电荷量。
在[8]中利用第二个特性为双电池系统开发电源管理策略，在该系统中，两个电池轮流向负载提供电流。这样，电池暂时与负载断开连接就可以休息，而另一个则为系统供电。
- 电池调度
由分块电池子系统供电的设备将永远无法完全利用可用的电量，就像电池将是单片的一样。同时，数据指出，选择一种智能的充电提取策略，有助于减小单片和分片电源[8]之间的效率差距。
本文所要解决的问题是，给定一个多电池系统，在系统运行的任何时刻，为了使整个寿命接近最佳状态(即单片电池)。换句话说，我们研究了电池调度问题的解决方案。
由于电池子系统的配置(电源中电池组的数量和容量)和负载绘制的电流剖面(工作负载)等因素可能会对调度策略的性能产生重大影响，因此我们引入三个因素算法的类别，其特征是支持电路的通用性和复杂性不断增加。他们所能提供的结果的质量将在第4节中进行实验评估。
3.1 电池调度
第一类，我们称之为串行调度，简单地将所有电池一个接一个地放电。换句话说，电池只有在空载时才会断开与负载的连接。这项政策在实施过程中只提供了一个自由度:电池的放电顺序。如果电池子系统由N个电池组组成，那么总共有N个电池组!可能的串行调度。显然，只有当所有电池的容量不相同且工作负载不随时间变化时，改变电池的放电顺序才有意义。
虽然我们知道串行调度不是很有效，但我们认为这是我们的实验，因为这是目前大多数由多电池系统供电的电子产品所采用的策略;因此，它为我们接下来介绍的其他调度类型的性能提供了一个很好的比较术语。
3.2 静态调度
第二类策略称为静态调度，它遵循循环计划来放电。每个电池与负载保持固定的连接时间，然后断开连接。当其他电池在规定的时间内放电后，将再次使用。因此，此类策略的特征是两个参数:电池放电的顺序和每个电池连接到负载的时间周期(或时间片)。假设每个电池组可以分配N个电池组和M个时间片，那么总共有N个!应该探索的静态调度。然后必须对搜索空间进行一些精简，最简单的是为所有电池选择一个时间片。在这种情况下，要研究的调度数减少到N!。
3.3 动态调度
我们研究的最后一组策略使用特定的电池信息来驱动电池选择。这些信息可以与电池的物理状态相关，可以用输出电压、充电状态(SOC)或经过的放电时间来表示。很明显,选择的代表性数量应能在电池界面上观察到，以便于政策的实际实施。我们将这类策略分类为动态调度。动态调度不再假设为每个电池组分配唯一的时间片。相反，每个电池放电的时间长短取决于所观察到的数量。
我们注意到，原则上，不能保证动态调度优于静态方法。但是，前者的优点是可以根据不同电池的实际情况调整每个电池组的休息时间。因此，它很可能对充电恢复发生的时间进行更精确的调整，然后可能对包含不同容量包的电池子系统更有效。
- 结论
4.1 实验装置
为了使用第3节中的调度策略运行我们的实验，我们定义了三对具有不同无产者的工作负载。
前两对(CC和SW)是人工工作负载;当前配置文件具有相同的形状，但是它们在平均电流值和/或绝对电流级别上有所不同:
·CC: CCa恒流负载0.5A, CCb恒流负载1.0A。SW: 50%占空比的方波，SWa平均电流值0.5A，电平(0.3A;0.7A)，平均电流值1.0A，电平(0.8A;1.2A)用于SWb。
第三对工作负载(RL)引用了一个真实的例子;目前的无产者是通过监视个人数字助理(PDA)在[13]操作的几个小时内的活动而获得的。本例中，系统从电源中提取的电流的时域波形不具有相同的形状;名为RLa的工作负载的平均值低于RLb的平均值。
关于电池子系统，我们选择了四种不同的配置进行实验(在后续中，用BS1{BS4表示)。它们都遵守SMBUS规范[2]所设置的约束(例如，最多4个电池组)，并与大多数电子产品中实际存在的组织相对应。
分区电源中所有包的容量之和对于所有配置都是相同的(CTOT = 1:35Ahr)。这也是我们用来比较所有调度的基准的单片电池的容量。
电源中所有电池组的标称输出电压均为4:1V，与容量无关。在实验中，当一个电池组的输出电压降至3:3V以下时，调度器认为电池组已耗尽，不再进行选择。
我们考虑的四种电池系统如下:
·两个容量CTOT=2的电池组。
·4组容量CTOT=4个。
·四个电池组，其中一个有备用功能(因此容量非常小，即，Cbackup = CTOT/20)，其余三个具有相同的容量(CTOT - Cbackup)/3。
·四组电池，容量各不相同:CTOT/3、CTOT/4、CTOT/5;和13 CTOT / 60。
用于电池寿命估计的模型是[13]中描述的事件驱动模型。
4.2 调度实验
4.2.1 串行调度
在串行调度中总共有N个!实验运行。由于所选择的电池子系统最多有4个电池，因此详尽的探索是可行的。
表1收集关于系统生命周期的结果，以秒表示。行Mono表示单片电源，行BS1{BS4表示分区情况。最后，列表示工作负载。注意，由于空间原因，对于电源配置和工作负载的每个组合，只提供最好的结果(从N!已经探索过的)。
表1:结果:串行调度。
数据清楚地显示，如果使用串行调度，分区电池在系统生命周期中决定的效率下降，而不管工作负载如何。对于两个以上电池组的电源(寿命减少范围为18.9-31.6 %)，效果更为明显，而对于BS1(寿命减少范围为[6.08 - 16.45]%)，效果更为可控。
4.2.2 静态调度
静态调度的搜索空间比串行调度大得多，因为它有两个维度:电池组放电的顺序和分配给每个电池组的时间片的持续时间。因此，详尽的探索是不可行的，必须引入一些修剪标准。我们选择了第3节中描述的那些，假设每个电池组在选择自己的时间片时没有任何选择。更具体地说，我们首先尝试了所有电池组使用10秒时间片的解决方案。
表2显示了结果。在串行调度的情况下，对于电源配置和工作负载的每个组合，只显示最好的结果(从N!已经探索过的)。数据显示，与串行调度相比，它有了明显的改进。单片电池提供的寿命的差距现在在[2.8-13.9]%的BS1和[10.3-29.5]%的四电池系统。
表2:结果:静态调度(10s时间片)。
为之前的实验选择10秒的时间片完全是随意的。因此，为了进一步了解各种电池组与负载的连接/断开频率的选择，我们用更短的时间片进行了相同的实验，即2秒。这个探索的结果收集在表3中，它们比10秒时间片的静态调度显示了比串行调度更显著的改进。事实上，BS1与单片壳体的距离被限制在[1.1-7.8]%的范围内，四电池供电的距离被限制在[4.3-23.1]%的范围内。
表3:结果:静态调度(2s时间片)。
所有电池系统和负载无产者的持续寿命增加表明，进一步降低时间片值可能相应地提高寿命。因此，我们通过确定作为时间片(即，开关频率，fsw)。图1所示为恒流0:5A(即、工作负载CCa)。当fsw很低时，电池按顺序放电，寿命最小。这相当于连续放电。随着fsw的增加，寿命也随之增加，并且逐渐趋近于双容量单片电池(即， 1:35Ahr)。这一行为也被一致地观察到所有四个电池子系统。
这个探索的底线是，原则上，一个使用静态调度策略的多电池系统，其中电池以理想的无限频率切换，其性能就像一个等效的(即)整体式电池附加在负载上。没有更好的解决方案可以找到，无论何种类型的电流负载或电池子系统的组成。
然而，为了支持具有高开关频率的静态调度方案，需要一个高开关电池选择器。商用电池选择器用于3.1节的串行放电策略，即将负载连接到电池上，其开关周期与单个电池的寿命顺序相同。这些设备在高频率静态电池调度环境下的可用性仍需研究，目前仍是一个悬而未决的问题。
图1:电池寿命vs. fsw。
4.2.3动态调度
动态调度的独特之处在于，它试图根据实际的SOC调整电池组的时间片。换句话
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