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隨著科技進步與社會發(fā)展，象手機、筆記本電腦、MP3播放器、PDA、掌上游戲機、數(shù)碼攝像機等便攜式設備已越來越普及，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及其保護電路工作原理進行闡述。
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、PDA、數(shù)碼相機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：
1、電壓高，單節(jié)鋰離子電池的電壓可達到3.6V，遠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（即自放電?。?，在放置很長時間后其容量損失也很小。 4、壽命長，正常使用其循環(huán)壽命可達到500 次以上。
5、沒有記憶效應，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特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進行電能與化學能相互轉(zhuǎn)化的化學正反應，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內(nèi)部發(fā)生化學副反應,該副反應加劇后，會嚴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致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進行有效監(jiān)測，并在某些條件下關斷充、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電路原理圖。
如圖中所示，該保護回路由兩個MOSFET（V1、V2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成?？刂艻C負責監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關作用，分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷，C3為延時電容，該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能，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 都處于導通狀態(tài)，電池可以自由地進行充電和放電，由于MOSFET 的導通阻抗很小，通常小于30 毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。此狀態(tài)下保護電路的消耗電流為μA 級，通常小于7 μA。
2、 過充電保護
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，當電池電壓被充電至超過4.3V 時，電池的化學副反應將加劇，會導致電池損壞或出現(xiàn)安全問題。
在帶有保護電路的電池中，當控制IC檢測到電池電壓達到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 由導通轉(zhuǎn)為關斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。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載進行放電。
在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關斷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，通常設為1 秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
3 、過放電保護
電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負載放電，將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過程中，當控制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 由導通轉(zhuǎn)為關斷，從而切斷了放電回路，使電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。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行充電。
由于在過放電保護狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護電路的消耗電流極小，此時控制IC 會進入低功耗狀態(tài)，整個保護電路耗電會小于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，通常設為100 毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
4、 過電流保護
由于鋰離子電池的化學特性，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），當電池超過2C 電流放電時，將會導致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。電池在對負載正常放電過程中，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導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，當回路電流大到使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)榱汶妷海筕1 由導通轉(zhuǎn)為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關斷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的導通阻抗，當MOSFET 導通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。
5、 短路保護
電池在對負載放電過程中，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 則判斷為負載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導通轉(zhuǎn)為關斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短，通常小于7 微秒。其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。
以上詳細闡述了單節(jié)鋰離子電池保護電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護原理與之類似，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，在實際的電池保護電路中，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的作用，由于它直接串接在電池與外部負載之間，因此它的導通阻抗對電池的性能有影響，當選用的MOSFET較好時，其導通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。
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行業(yè)信息-精密空調(diào)報價
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算機設備,保持對計算機設備供電的連續(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中廣泛應用的是M型密封電池,這是一種密封免維護電池。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,其標稱容量為6Ah。這一指標是指把該電池以20h速率的條件下進行放電(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電源整機的質(zhì)量,它的成本占整機成本的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(PWM)來實現(xiàn)直流轉(zhuǎn)變成交流,實現(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,又恢復到市電供電狀態(tài)。
5.檢測報警保護電路
為了確保UPS安全可靠的工作,UPS必須設有完善的檢測報警保護電路。一般UPS均設有過流、過壓、空載保護,電池電壓過低、電池極性和交流極性檢測電路,指示燈和喇叭報警電路。
6.智能監(jiān)控及通訊電路
新型的智能UPS具有與計算機通訊和自動監(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。
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機房專用精密空調(diào)機送風形式多為上送下回和下送上回式。機房中鋪設防靜電活動地板，機房專用精密空調(diào)采用下送上回式送風，使冷氣直接進入活動地板下，這樣使地板下形成靜壓箱，然后通過地板送風口，把冷氣均勻地送入機房內(nèi)，送入設備機柜內(nèi)。為此，機房專用精密空調(diào)應有足夠的風量把機房中的熱量帶走。采用這種送風形式可大大提高空調(diào)效率，同時還可以大幅度節(jié)省過去習慣的管道送風的工程費用，降低工程造價，使室內(nèi)布局美觀。這是機房理想的送風方式。當然，機房送風形式要與設備散熱形式一致。
過濾
通常標準型機組中，空氣過濾器均采用粗、中效過濾，而在一些進口的特型機組中，從結(jié)構(gòu)設計上采用預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級潔凈要求也應該使用中效過濾器。然而，舒適性空調(diào)機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機、加大風壓，以免空調(diào)機因安裝了高效或亞高效過濾器而使送風能力大幅度下降。
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可靠性
針對機房精密空調(diào)系統(tǒng)高可靠性的要求，機房專用精密空調(diào)機在結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設計和制造以及空調(diào)系統(tǒng)組成等方面都必須相應采取一系列措施，例如設置后備機組或后備控制單元，微機控制系統(tǒng)自動對機組運行狀態(tài)進行診斷，實時對已經(jīng)出現(xiàn)或?qū)⒁霈F(xiàn)的故障發(fā)出報警，自動用后備機組或后備控制單元切換故障機組或故障單元。眾所周知，機房專用精密空調(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)技術經(jīng)濟性能密切相關。不少機房專用精密空調(diào)機生產(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控制已經(jīng)十分普遍，有些企業(yè)已經(jīng)把模糊控制技術應用在計算機房專用空調(diào)系統(tǒng)中。
機房專用精密空調(diào)機組均采用先進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?？刂破魈峁姶蟮哪M和數(shù)字控制能力，可以滿足廣泛的監(jiān)測和控制功能，包括實時鐘、RS232/RS485通信接口以及標準的網(wǎng)絡連接。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/顯示器組件查詢設備運行狀態(tài)及各種故障記錄，調(diào)整設定參數(shù)，保證高的運行效率。
控制系統(tǒng)可以控制同一機組內(nèi)各臺壓縮機分時啟動，降低啟動電流，均衡同一機組內(nèi)各臺壓縮機的工作時間，防止壓縮機頻繁啟動。多臺機組可互相串聯(lián)，互為備份。多臺機組可自動分時啟動，降低啟動電流，均衡不同機組的工作時間。這樣，有利于提高專用空調(diào)機組的壽命和運行的可靠性。
全年制冷
無論是大、中型計算機，還是程控交換機，都要求空調(diào)機全年制冷運行。而冬季的制冷運行要解決穩(wěn)定冷凝壓力和其它相關的問題。多數(shù)機房專用空調(diào)機能在室外氣溫降至-15℃時仍能制冷運行，而采用乙二醇制冷機組，可在室外氣溫降至-45℃時仍能制冷運行。與此形成鮮明對比的是舒適性空調(diào)機或常規(guī)恒溫恒濕機，在此種條件下，根本無法工作。
系統(tǒng)設計
如果把舒適性空調(diào)機用作機房精密空調(diào)系統(tǒng)，由于機房要求其運行點為：冬季：20±2℃，夏季：23±2℃，而舒適性空調(diào)機的設計點溫度一般為27℃，所以機組的實際供冷能力一般比樣本標明的額定值低10%～25%。此外，運行點偏離設計點時，在一定程度上機組的部分機件性能由于偏離了佳運行點，從而影響了機組整體的匹配狀態(tài)，不利于機組性能的充分發(fā)揮和高效率運行。然而機房專用精密空調(diào)機，由于把運行點作為設計點，因而機組始終處于佳運行點，這就從根本上避免了這些問題。
綜上所述，根據(jù)機房負荷特性及特點，就需要設計出一種將這些要求綜合于一體的空調(diào)機，實現(xiàn)以處理干冷卻工況為主的空氣處理過程。
使用壽命
一般機房專用精密空調(diào)廠家的設計壽命是低是10年，連續(xù)運行時間是86400小時，平均無故率達到25000小時，實際運用過程中, 機房專用精密空調(diào)可運行15年。
根據(jù)國家家電行業(yè)標準，舒適性空調(diào)機的基礎設計壽命每年按運行半年計算，為3年時間，無連續(xù)運行時間指標，平均無故障時間5000小時，只適合于間斷運行，在實際使用過程中，舒適性空調(diào)機可連續(xù)運行的時間為3～5年，比機房專用精密空調(diào)相差3倍。在實際使用過程中，也因工作環(huán)境不同導致其使用壽命有不同的變化。
