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隨著科技進(jìn)步與社會發(fā)展，象手機(jī)、筆記本電腦、MP3播放器、PDA、掌上游戲機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等便攜式設(shè)備已越來越普及，這類產(chǎn)品中有許多是采用鋰離子電池供電，而由于鋰離子電池的特性與其它可充電電池不同，內(nèi)部通常都帶有一塊電路板，不少人對該電路的作用不了解，本文將對鋰離子電池的特點(diǎn)及其保護(hù)電路工作原理進(jìn)行闡述。
鋰電池分為一次電池和二次電池兩類，目前在部分耗電量較低的便攜式電子產(chǎn)品中主要使用不可充電的一次鋰電池，而在筆記本電腦、手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)等耗電量較大的電子產(chǎn)品中則使用可充電的二次電池，即鋰離子電池。與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
1、電壓高，單節(jié)鋰離子電池的電壓可達(dá)到3.6V，遠(yuǎn)高于鎳鎘和鎳氫電池的1.2V 電壓。
2、容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5-2.5 倍。
3、荷電保持能力強(qiáng)（即自放電。诜胖煤荛L時間后其容量損失也很小。 4、壽命長，正常使用其循環(huán)壽命可達(dá)到500 次以上。
5、沒有記憶效應(yīng)，在充電前不必將剩余電量放空，使用方便。
由于鋰離子電池的化學(xué)特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后，會嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后而導(dǎo)致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個保護(hù)電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。
下頁中的電路圖為一個典型的鋰離子電池保護(hù)電路原理圖。
如圖中所示，該保護(hù)回路由兩個MOSFET（V1、V2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成？刂艻C負(fù)責(zé)監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C3為延時電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：
1、 正常狀態(tài)
在正常狀態(tài)下電路中N1 的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET 都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET 的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30 毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對電路的性能影響很小。此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA 級，通常小于7 μA。
2、 過充電保護(hù)
鋰離子電池要求的充電方式為恒流/ 恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V 時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。
在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC 有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷，使V2 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時由于V2 自帶的體二極管VD2 的存在，電池可以通過該二極管對外部負(fù)載進(jìn)行放電。
在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C3 決定，通常設(shè)為1 秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
3 、過放電保護(hù)
電池在對外部負(fù)載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC 有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時由于V1 自帶的體二極管VD1 的存在，充電器可以通過該二極管對電池進(jìn)行充電。
由于在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時控制IC 會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個保護(hù)電路耗電會小于0.1 μA。
在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3 決定，通常設(shè)為100 毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
4、 過電流保護(hù)
由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C（C= 電池容量/ 小時），當(dāng)電池超過2C 電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。電池在對負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值U=I*RDS *2, RDS 為單個MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC 決定，不同的IC 有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷，使V1 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護(hù)作用。在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3 決定，通常為13 毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護(hù)值越小。
5、 短路保護(hù)
電池在對負(fù)載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，控制IC 則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時時間極短，通常小于7 微秒。其工作原理與過電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時時間也不一樣。
以上詳細(xì)闡述了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)原理與之類似，在此不再贅述，上面電路中所用的控制IC 為日本理光公司的R5421 系列，在實(shí)際的電池保護(hù)電路中，還有許多其它類型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺灣富晶的FS312 和FS313 系列、臺灣類比科技的AAT8632 系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數(shù)上有所差別，有些控制IC 為了節(jié)省外圍電路，將濾波電容和延時電容做到了芯片內(nèi)部，其外圍電路可以很少，如日本精工的S-8241 系列。
除了控制IC外，電路中還有一個重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間，因此它的導(dǎo)通阻抗對電池的性能有影響，當(dāng)選用的MOSFET較好時，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強(qiáng)，在放電時其消耗的電能也少。
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UPS電源的結(jié)構(gòu)和工作原理
它是由一套交流+直流充電+交直流逆變裝置構(gòu)成。UPS中的蓄電池在市電正常供電時處于充電狀態(tài)。一旦市電中斷,蓄電池立即將儲存的直流電輸出給逆變器逆變成交流電供給計(jì)算機(jī)設(shè)備,保持對計(jì)算機(jī)設(shè)備供電的連續(xù)性。一般情況下,中小功率后備式UPS靠蓄電池維持供電的時間在10~30min左右。
1.交流濾波調(diào)壓回路
交流濾波回路主要是對輸入的交流電進(jìn)行濾波凈化,去掉電網(wǎng)中的干擾成分。并在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)壓。
2.整流充電回路
整流充電回路是將交流整流成直流,經(jīng)充電電路給蓄電池充電,并向內(nèi)部提供所需的直流電。
3.蓄電池組電路
在中小型UPS中廣泛應(yīng)用的是M型密封電池,這是一種密封免維護(hù)電池。一般每節(jié)電池的額定電壓可為2V、4V、6V或12V,它們經(jīng)串并聯(lián)組成電池組在UPS中使用。
蓄電池的規(guī)格容量用安時(Ah)表示,如12V,6Ah/20hR。它表明該電池的輸出電壓為12V,其標(biāo)稱容量為6Ah。這一指標(biāo)是指把該電池以20h速率的條件下進(jìn)行放電(放電電流為6/20=0.3A),一直放電到電池輸出的終了電壓為10.5V時,所測量到的總安培小時數(shù)。
蓄電池是UPS的重要組成部分,蓄電池性能和質(zhì)量的好壞直接影響到UPS電源整機(jī)的質(zhì)量,它的成本占整機(jī)成本的1/3以上。
4.脈寬調(diào)制型(PWM)逆變器及控制電路
在UPS中普遍地采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)來實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)變成交流,實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)變成交流的電路稱為逆變器。逆變器及其控制電路是UPS的核心電路。
對于后備式UPS來說,當(dāng)市電電壓低于170V時,此時其內(nèi)部的交流穩(wěn)壓電路無法維持正常的220V輸出,逆變器啟動工作,將蓄電池中儲存的直流電轉(zhuǎn)變成交流電。輸出波形一般為方波,也有一些UPS輸出波形為正弦波。而當(dāng)市電回升到180V以上時,逆變器停止工作,回到市電供電狀態(tài)(穩(wěn)壓輸出為220V)。
對于在線式UPS來說,逆變器始終處于逆變工作狀態(tài)。市電供電時,不斷地將交流電整流成直流后再逆變成交流輸出(輸出波形為正弦波)。當(dāng)市電下降到170V以下時,逆變器將蓄電池儲存的直流電逆變成交流電輸出。市電上升到180V時,又恢復(fù)到市電供電狀態(tài)。
5.檢測報(bào)警保護(hù)電路
為了確保UPS安全可靠的工作,UPS必須設(shè)有完善的檢測報(bào)警保護(hù)電路。一般UPS均設(shè)有過流、過壓、空載保護(hù),電池電壓過低、電池極性和交流極性檢測電路,指示燈和喇叭報(bào)警電路。
6.智能監(jiān)控及通訊電路
新型的智能UPS具有與計(jì)算機(jī)通訊和自動監(jiān)控功能,UPS監(jiān)控軟件通過接口通訊線路隨時監(jiān)控UPS及供電線路的運(yùn)行情況,記載并提示掉電情況,自動處理掉電時的數(shù)據(jù)保存與系統(tǒng)保護(hù)。
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機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)送風(fēng)形式多為上送下回和下送上回式。機(jī)房中鋪設(shè)防靜電活動地板，機(jī)房專用精密空調(diào)采用下送上回式送風(fēng)，使冷氣直接進(jìn)入活動地板下，這樣使地板下形成靜壓箱，然后通過地板送風(fēng)口，把冷氣均勻地送入機(jī)房內(nèi)，送入設(shè)備機(jī)柜內(nèi)。為此，機(jī)房專用精密空調(diào)應(yīng)有足夠的風(fēng)量把機(jī)房中的熱量帶走。采用這種送風(fēng)形式可大大提高空調(diào)效率，同時還可以大幅度節(jié)省過去習(xí)慣的管道送風(fēng)的工程費(fèi)用，降低工程造價(jià)，使室內(nèi)布局美觀。這是機(jī)房理想的送風(fēng)方式。當(dāng)然，機(jī)房送風(fēng)形式要與設(shè)備散熱形式一致。
過濾
通常標(biāo)準(zhǔn)型機(jī)組中，空氣過濾器均采用粗、中效過濾，而在一些進(jìn)口的特型機(jī)組中，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用預(yù)留亞高效過濾器或高效過濾器的安裝位置，根據(jù)用戶需求選用（如凈化手術(shù)室等就選用亞高效過濾器）。只要用戶要求，過濾系統(tǒng)可以很方便地以更換過濾器或者增加過濾器的方式進(jìn)行升級。一般A級潔凈要求使用高效或亞高效過濾器，B級潔凈要求使用亞高效或中效過濾器，即使是C級潔凈要求也應(yīng)該使用中效過濾器。然而，舒適性空調(diào)機(jī)一般只有初效過濾器，如果需要提高過濾效率，也只能是改裝，而且往往還需增加風(fēng)機(jī)、加大風(fēng)壓，以免空調(diào)機(jī)因安裝了高效或亞高效過濾器而使送風(fēng)能力大幅度下降。
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可靠性
針對機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)高可靠性的要求，機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)在結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造以及空調(diào)系統(tǒng)組成等方面都必須相應(yīng)采取一系列措施，例如設(shè)置后備機(jī)組或后備控制單元，微機(jī)控制系統(tǒng)自動對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，實(shí)時對已經(jīng)出現(xiàn)或?qū)⒁霈F(xiàn)的故障發(fā)出報(bào)警，自動用后備機(jī)組或后備控制單元切換故障機(jī)組或故障單元。眾所周知，機(jī)房專用精密空調(diào)的控制系統(tǒng)功能比舒適性空調(diào)完善得多。
控制系統(tǒng)的性能與空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能密切相關(guān)。不少機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)專門開發(fā)一系列的控制器作為空調(diào)系統(tǒng)的組成部分。采用電子控制器或微機(jī)控制已經(jīng)十分普遍，有些企業(yè)已經(jīng)把模糊控制技術(shù)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)中。
機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)組均采用先進(jìn)可靠的微電腦控制系統(tǒng)？刂葡到y(tǒng)由兩大部件組成，即智能控制器I2-manager和操作顯示器組件Tmaster。控制器提供強(qiáng)大的模擬和數(shù)字控制能力，可以滿足廣泛的監(jiān)測和控制功能，包括實(shí)時鐘、RS232/RS485通信接口以及標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連接。大屏幕液晶多制式顯示器，可顯示地道的中文，更加適合中國用戶需求。操作人員可通過鍵盤/顯示器組件查詢設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及各種故障記錄，調(diào)整設(shè)定參數(shù)，保證高的運(yùn)行效率。
控制系統(tǒng)可以控制同一機(jī)組內(nèi)各臺壓縮機(jī)分時啟動，降低啟動電流，均衡同一機(jī)組內(nèi)各臺壓縮機(jī)的工作時間，防止壓縮機(jī)頻繁啟動。多臺機(jī)組可互相串聯(lián)，互為備份。多臺機(jī)組可自動分時啟動，降低啟動電流，均衡不同機(jī)組的工作時間。這樣，有利于提高專用空調(diào)機(jī)組的壽命和運(yùn)行的可靠性。
全年制冷
無論是大、中型計(jì)算機(jī)，還是程控交換機(jī)，都要求空調(diào)機(jī)全年制冷運(yùn)行。而冬季的制冷運(yùn)行要解決穩(wěn)定冷凝壓力和其它相關(guān)的問題。多數(shù)機(jī)房專用空調(diào)機(jī)能在室外氣溫降至-15℃時仍能制冷運(yùn)行，而采用乙二醇制冷機(jī)組，可在室外氣溫降至-45℃時仍能制冷運(yùn)行。與此形成鮮明對比的是舒適性空調(diào)機(jī)或常規(guī)恒溫恒濕機(jī)，在此種條件下，根本無法工作。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如果把舒適性空調(diào)機(jī)用作機(jī)房精密空調(diào)系統(tǒng)，由于機(jī)房要求其運(yùn)行點(diǎn)為：冬季：20±2℃，夏季：23±2℃，而舒適性空調(diào)機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)溫度一般為27℃，所以機(jī)組的實(shí)際供冷能力一般比樣本標(biāo)明的額定值低10%～25%。此外，運(yùn)行點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時，在一定程度上機(jī)組的部分機(jī)件性能由于偏離了佳運(yùn)行點(diǎn)，從而影響了機(jī)組整體的匹配狀態(tài)，不利于機(jī)組性能的充分發(fā)揮和高效率運(yùn)行。然而機(jī)房專用精密空調(diào)機(jī)，由于把運(yùn)行點(diǎn)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，因而機(jī)組始終處于佳運(yùn)行點(diǎn)，這就從根本上避免了這些問題。
綜上所述，根據(jù)機(jī)房負(fù)荷特性及特點(diǎn)，就需要設(shè)計(jì)出一種將這些要求綜合于一體的空調(diào)機(jī)，實(shí)現(xiàn)以處理干冷卻工況為主的空氣處理過程。
使用壽命
一般機(jī)房專用精密空調(diào)廠家的設(shè)計(jì)壽命是低是10年，連續(xù)運(yùn)行時間是86400小時，平均無故率達(dá)到25000小時，實(shí)際運(yùn)用過程中, 機(jī)房專用精密空調(diào)可運(yùn)行15年。
根據(jù)國家家電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，舒適性空調(diào)機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)壽命每年按運(yùn)行半年計(jì)算，為3年時間，無連續(xù)運(yùn)行時間指標(biāo)，平均無故障時間5000小時，只適合于間斷運(yùn)行，在實(shí)際使用過程中，舒適性空調(diào)機(jī)可連續(xù)運(yùn)行的時間為3～5年，比機(jī)房專用精密空調(diào)相差3倍。在實(shí)際使用過程中，也因工作環(huán)境不同導(dǎo)致其使用壽命有不同的變化。
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