带状电源应用于保暖衣的探讨

张炜

◎张炜

（广东省河源市理工学校，广东河源517000）

中图分类号：TS941.7文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）06-152-02

摘要：随着电子技术飞速发展，手机、笔记本、DV和电动工具等所应用的便携式电源技术也随之迅速发展，同时也为便携式电源在其它领域的应用提供了很大的方便。本文从实际角度出发，根据市场上保暖服装要么厚而笨重，要么轻而不暖的实际情况，为使保暖内衣真正具有既保暖又轻便的特点，现探讨在轻便的保暖内衣中增加加热系统，重点介绍加热系统的关键部分---------电源。此种电源是在现有可移动电源的成熟技术基础之上，将具有体积小、重量轻、放电电压高、能量高等优点的锂离子电池经过一定的技术改造制作而成，以便人们在寒冷的冬季能穿上既轻便又保暖还美观的保暖服装，提高人们的物质生活水平。

关键词：保暖；锂离子电池；复联；DS2762；8051单片机

保暖是人们度过寒冷冬季都关注的话题，随着人们物质生活水平的不断提高，对保暖服装的要求也越来越高，不但要求保暖，还要求美观、轻便、又符合21世纪科技发展潮流。另外，有关部门对30家企业生产的30种保暖内衣进行的专项调查显示，这些产品不存在危及人体健康安全的隐患，但保暖质量却过不了关。除甲醛和国家禁用的偶氮染料符合标准外，其他一些指标都不同程度的存在偏差，例如保暖率达不到所说的保暖标准。在30种被测保暖内衣中，保暖率最低的为30%多，最高的也仅为61.9%，因此，研发一种轻便保暖内衣加热系统，市场上大有可为。

一、带状电源的材料选择

（一）带状电源容量计算。

从热量传递的原理上说，有三种基本的热量传递方式，即热传导、热对流和热辐射。在无风状态下，热传导起主要作用，热传导简称导热，它是指热量由物体的高温部分向低温部分的传递，或者由一个高温物体向与其接触的低温物体的传递。实践证明，单位时间内的导热量Q与平壁两侧表面的温度差（t1—t2）及侧表面积A成正比；与壁厚δ(mm)成反比；并与平壁材料的导热性能有关。写成表达式为：Q=λAa（t1-t2)／δ（1-1）式中，单位时间内的导热量Q也称为导热热流量，单位是W；a是温差修正系数；λ是比例系数，称为导热系数或热导率，单位是W／（mm?℃）它反映材料导热能力的大小。

现以市场上具有代表性的保暖内衣为例。首先分析它的结构：针织面料层、非织造保暖层、聚氨酯弹性膜。目前，非织造保暖层已普遍选择特殊的化学纤维，主要为超细纤维、中空纤维、远红外纤维等。这些纤维的导热系数小，因此具有较好的保暖性能，以超细纤维作为非织造保暖层的保暖内衣为例，根据《服装材料学》可知粘胶纤维的导热系数数λ为：

0.055～0.071（1-2）

根据《药理学学习指导与实验教程》中关于中国人体表面积计算公式：

A=0.0061×H+0.0124×W-0.0099（1-3）

（A表示体表面积,单位:m2；H表示身高,单位:cm；W表示体重,单位:kg）

据2008年10月25日公布的《2000年国民体质监测公报》显示：中国人取平均身高1.697米，平均体重67.7公斤代如式（1-3）得

A=0.0061×167.9+0.0124×67.7-0.0099=1.85377（m2）（1-4）

根据《空气污染气象学教程》中人体只有在一定气象因素组合下，产热量和散热量基本平衡时，才会感到舒适。例如在室内穿着一般衣服休息的人，在气温为18～20℃，相对湿度30～60％，气流速度0.2～0.4米／秒的条件下感到最舒适。因此取人体舒适温度为18℃也就是保暖服装内壁温度取t2=18℃（1-5）

又根据《制冷工艺设计》一书中附录Ⅶ，各主要城市室外气象资料，取河南郑州极端最低温度-17.5℃,也就是保暖服装外壁温度t1=-17.5℃（1-6）

根据保暖内衣市场调查报告中对30家企业生产的30种保暖内衣进行的专项保暖性能调查的实验结果，如下表1。

取保暖服装厚度为δ=3.76mm,保暖率76.43%（1-7）

取温差修正系数a=0.6,将参数（1-2）（1-4）（1-5）（1-6）（1-7）带入式（1-1）得

Q=λAa（t1-t2)／δ=0.055×1.85377×0.6×（-17.5-18）/0.00376=577.6（W）

假定人穿着粘胶纤维为非织造保暖层，厚3.76mm的保暖内衣在-17.5℃环境中感觉舒服，就必须要补充Q1=Q×（1-76.043%）=577.6×（1—76.043%）=138.4W的热量，也就是保暖服装加热系统电源的输出功率为138.4W。

（二）各种移动电源的性能比较。

据市场调查，2009年镉镍电池市场份额将从目前的64％下降到26％。氢镍电池市场份额从目前的26％上升到38％，锂离子电池从10％上升到58.9％。这说明目前锂离子电池的绝对消费量不断攀升，需求非常巨大，以下是从10个方面来比较三种电池的性能。

从以上三种便携式电池的性能比较可以看出锂离子电池具有容量高、重量轻、单个电池电压高、无记忆效应、充电次数多、污染性极小、应用广泛、重复使用可靠性高，安全性好且可随时充电等优点。为此，带状电源可考虑使用二次锂离子电池采用一定的方式连接起来而组成。

二、带状电源的连接

在实际使用电池时，很多场合都需要较高的电压和较大的电流，往往单个电池满足不了这样的要求，这就需要将若干个单体电池通过串联、并联、复联组合起来，称为电池的组合。如果组合合理，不仅可以获得较大的容量和功率，而且使用起来非常方便和安全。（一）电池串联。如果有S个单体电池串联，如图1所示，每个电池的开路电压为V，内阻为ρ，则串联后电池组的开路电压V（总）=SⅹV，池组的总内阻为Sⅹρ,故串联电池组的电流I为:I=S×V/(R+S×ρ)；R为外电阻

由此可见，如果电池组的总内阻Sⅹρ比外电阻小的多，则增加电池串联数S，可以增加电池组的放电电流，而串联主要目的是增加电压。

（二）电池并联。如果有P个单体电池并联时，如图2所示，这时电池组的电压等于单个电池的开路电压为V，而并联后的总内阻为ρ/P，则并联后电池组的电流：I=V/（R+ρ/P）；R为外电阻（图2）

可见当并联电路中外电阻不变时，通过线路的电流随并联电池数P的增加仅有缓慢的增加。并联的主要目的是增加电池的容量，使电池组承受电流的能力增大。

从以上分析可以发现，为了可以获得较大的容量和功率，采用电池的串并联组合方式，也就是复联组合方式。

三、带状电源检测电路设计

在带状电源的使用过程中我们非常关注它的当前状态，包括电池的电压、电流、充放电状况及剩余电量等参数，为达到这一目的我们选择MAXIM公司推出的智能高精度锂电池监测芯片DS2762为核心组成电源检测电路，来检测带状电源的当前状态。

(一)DS2762的存储结构。

DS2762内含EEPROM、可锁存EEPROM、SRAM和其它一些功能寄存器，其中EEPROM是非易失性存储器，具有断电保护功能，可用于储存电池的重要信息；处于锁存状态时，也可用可锁存EEPROM储存其它一些固定信息；SRAM用于储存一些不重要的临时数据。采集到的数据先存到RAM，然后进入EEPROM，EEPROM中的信息也可复制到RAM，这两者是镜像关系。

（二）带状电源检测电路设计。

以DS2762为核心设计的智能锂电池监测系统的硬件结构如图3所示。本电池监测系统由DS2762锂电池监测芯片、51单片机和液晶显示模块组成，采用片内电阻感应方式。DS2762主要完成对电池当前状态的监测，包括当前电池的充放电状态、电压、电流、温度和剩余电量等参数的监测,同时它还能自动采集这些数据，并将其放在存储器中。场效应管FET1、FET2构成了DS2762的充放电保护回路，可用于实现过压、欠压、充电过流以及短路保护等功能。

通过8051单片机可以按照用户需要对电池的相应参数进行读取和处理，然后送往液晶显示模块进行显示。由于存放这些参数的EEPROM具有非易失性，所以本系统同时具有掉电保护功能。图3电路中的单片机是整个系统的控制处理中心，由于大量的工作均可由单片机来完成。液晶显示模块用来显示用户需要了解的电池当前状态信息，以便用户可根据这些信息作出相应的处理。该液晶显示模块只接受单片机的控制和访问。

由于DS2762与单片机进行数据通讯时仅用一根数据线，因此，需要严格按照芯片的读写时序要求来编写程序，这样才能保证数据的正确读写。

利用DS2762芯片来对带状电源的工作方式和电压、电流、温度、剩余电量等参数进行监测的具体实现方法。

1.电池工作方式的监测。

要确定电池在使用中处于何种工作方式，可利用DS2762中电流寄存器的值来进行判断。单片机每88MS监测一次电压，并将IS1和IS2两端的压差（Ｖｉｓ＝Ｖｉｓ１－Ｖｉｓ２）转换成电流存入电流寄存器。若Ｖｉｓ为正值，说明电池正在充电；若Ｖｉｓ为负值，说明电池正在放电，也就是仪器正由锂电池供电。

2.电池电压和温度的电池电压和温度测量。

由于DS2762芯片内部集成有A/D转换器和数字温度传感器，因此，要获得电池的电压、温度等参数，只需通过单片机对DS2762发出采集电压、温度的控制命令，并待其采样完毕后自动将电压、温度的测量值存入相对应的寄存器，最后再由单片机读取寄存器的内容

3.剩余电量的监测。

电池的剩余电量是用户所需要的重要信息之一，它利用电流累加寄存器中的值来求得。电流累加寄存器的值是由DS2762实时自动测量电池电流后得到的，因而无须对其进行控制。通常在电池充电时，该值增加，电池放电时，该值减少。这样，通过单片机读取此值即可获得剩余电量。

在单片机对DS2762进行任意存储命令操作时，每个命令发出之前都必须按照DS2762的复位时序要求先发出复位信号且等待DS2762的应答（以示DS2762准备接受或发送数据），然后再发出一个ROM命令以用于选择总线上要访问的DS2762。一般情况下，在读取电流累加寄存器的值时，为防止读取错误，要先检查DS2762是否正在修改寄存器的内容。这一点可通过判断EEPROM寄存器的EEC位来实现。

四、带状电源充电器设计

为了保证由锂离子电池组成的带状电源在使用中避免过充电、过放电等损害现象的发生，从而,随之带来的是要求锂电池充电器具有严格与完善的保护电路,才能真正实现各项安全保护特性，为此,应用新型的DS2770和DS2720芯片可以设计一个具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护、计时和对电池组识别等功能的高性能锂电池充电器组合方案

保暖内衣加热系统电源的输出功率需达到138.4W,带状电源可考虑使用采用复联组合方式的二次锂离子电池,是一套利用DS2762芯片为核心设计的智能锂电池监测系统来对带状电源的工作方式和电压、电流、温度、剩余电量等参数进行监测的组合方案。

参考文献

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作者简介：张炜，电子助理讲师，任职单位：广东省河源市理工学校。