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软件定义的电池
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不同的电池化学成分在不同的轴上表现更好，如能量密度、成本、峰值功率、充电时间、寿命和效率。移动系统设计师受到现有技术的限制，被迫选择最能满足其多样化需求的单一化学物质，从而牺牲了其他理想的功能。在本文中，我们提出了一个新的硬件软件系统，称为软件定义电池(SDB)，它允许系统设计人员集成不同化学性质的电池。SDB向操作系统公开应用程序编程接口(api)，操作系统控制每个电池的电量流入和流出，使其能够根据应用程序和/或用户需求动态地交换电池属性。通过使用我们的原型数据库实现中的微基准测试，并通过详细的模拟，我们证明了将单独在不同轴上表现优异的电池组合在一起是可能的，与传统电池组相比，可以提供更高的整体性能。
1.简介
移动设备的效用常常受到电池性能的限制。根据摩尔定律，集成电路的性能每18个月就会翻一番，但电池技术却远非如此。电池性能可以通过许多不同的方式进行评估表1)，但无论我们采用哪种衡量标准，我们都花了十多年的时间才使性能翻倍。
此外，电池的各种性能往往彼此不一致。例如，功率密度较高的电池往往具有较低的体积和重量能量密度，反之亦然。同样，制造符合特定工业设计的舒适电池也会降低其性能特征。
这样的权衡甚至存在于给定的物理电池中。例如，电池在一次充放电循环中提供的能量(能量容量)与电池被耗尽的速率(放电速率)成反比。这是因为电池内部的电阻损耗与电流的平方成正比。类似地，电池的寿命，即在多次充放电循环后持续运行的能力，与放电和充电速率成反比。这是因为更高的电流会加速电极裂缝的产生，从而减少电池可以存储的能量。
总而言之，没有哪一种电池能够满足现代设备日益增长的一系列要求:快速充电、高容量、低成本、体积小、重量轻、发热少、寿命好、高峰放电率高。
越来越多的化学电池正在研发中，每种电池都有不同的优点。我们认为，将多种不同种类的电池组合在一起，而不是使用单一的电池化学成分，可以让移动系统在它们的性能之间进行动态交易，从而提供有吸引力的权衡。
然而，传统的多电池集成方法并不适用于异构电池。将它们串联或并联并不能提供足够的使用控制:串联的电池只能提供相同的电流;并联的电池必须在相同的电压下工作，并且只能提供与其内阻成反比的电流。
我们提出了一个新的系统，称为软件定义电池(SDB)，它允许不同化学成分的异质电池集成在一个移动系统中。SDB由硬件和软件两部分组成。该硬件能够使用智能开关电路对每个电池进出的电量进行细粒度控制。该软件位于操作系统(OS)中，计算每节电池的电量，以及如何给每节电池充电。
决定使用多少能量以及如何给每个电池充电是很重要的。它取决于每个电池在不同的工作负载下的效率，每个电池的年龄，以及使用概况。例如，如果预期将来会有高功率的工作负载，那么这是值得的——同时节约电池的电量，使其更有能力以有效的方式处理这样的工作负载。
位于操作系统中的SDB软件组件实现一套策略，使用简单的api与SDB硬件通信。该软件实现的算法使用各种指标来决定每个电池的充放电比例，从而增加设备的充放电时间，减少电池的退化。我们将在3.3节中详细介绍api和策略。
SDB设计是跨层的，涉及新的化学物质、额外的硬件和新的操作系统组件。这种方法为操作系统设计者提供了新的电池参数，用于资源优化。在现有的移动设备中，电池通常被视为一个黑匣子，并简单地假定为一个蓄水池。正如我们在第5节中所展示的，操作系统技术在电池使用方面取得了巨大的进步。这种设计还允许系统设计师选择任何电池组合进行优化设计，包括使用软件更新开发的新化学物质。
即使是现有的电池，SDB也支持多种新的场景，例如:(i)快速充电设备，可以在几分钟内获得相当大的电量，而不会导致意外的电池退化;(ii)将可弯曲电池与传统电池相结合创造的长寿命可穿戴设备;(iii)高效的二合一笔记本电脑-平板电脑转换设备，根据用户的行为定制电池使用情况。
2.电池的背景
锂离子电池包含一个负极(阳极)，通常由石墨制成，一个正极(阴极)，通常是一种金属氧化物。隔膜确保了阳极和阴极之间的物理分离，以防止短路，电池充满了由锂基盐组成的电解质，其离子可以很容易地通过隔膜。当电极在电阻负载上外部连接时，电流被释放，同时正极锂离子通过电极和隔板从阳极流向阴极。在充电过程中，锂离子电池通过捕获正极锂离子来存储能量，当外部电位被施加时。
锂离子电池的性能，如寿命、能量密度和内阻，在很大程度上取决于用于电极和隔膜的材料。电池的重量和体积能量密度受隔板强度的影响。电池的电阻，因此它的低效率，取决于隔膜的电阻，通常随着电池的年龄增加。电池的功率密度也会受到老化的影响。电极结构的完整性决定了它们能储存多少能量，锂离子会被永久地困在阳极中。随着老化，阳极会产生裂纹，这最终会降低能量和功率密度。
图1一个演示了四种不同的锂离子电池的性能，它们在用于阴极和隔膜的材料的化学性质上有所不同。1型电池通常用于需要快速充电的电动工具，并在短时间内提供高功率。这种电池对于移动设备来说是一个糟糕的选择，因为它们的能量密度很低，在相同的能量容量下，1型电池的体积通常是2型电池的两倍。如今，ii型电池普遍用于大多数移动设备。我们测量了与充放电循环次数有关的2型电池的容量损失，并观察到电池在较高的电流放电时衰减得更快(图1 b)．
3型电池是2型电池的一个新变体，它以牺牲一些能量密度为代价，拥有略高的功率密度。这是通过降低分离器的密度，让更多的锂离子在单位时间内通过来实现的。这通常导致能量密度下降，因为隔板不能存储能量，只有电极可以。最后，4型电池是另一种新型电池，它具有柔性和可弯曲性，这是因为它采用了类似橡胶的(以陶瓷为基础的)隔板，而电极是通过沿电池壁涂覆材料来实现的。不幸的是，这种分离器增加了离子通过的阻力，从而导致更高的效率，如图1 c．
2.1.典型的电源管理
图2给出了典型电源管理硬件的框图。它包括一个(i)电池，(ii)燃料表，(iii)电池充电器和(iv)电压调节器。
一个电池组有一个或多个电池。使用多个电池来获得更高的电压或更高的容量。虽然这种多电池结构现在已经存在，例如在Surface Pro、Galaxy Tab和iPad上，但这些电池具有相同的化学性质，它们要么是串联、并行连接，要么是它们的组合。它们被操作系统视为一个单一的单片电池。我们的目标是使用一组异构的单元，并通过将单元直接暴露给操作系统来实现广泛的动态特性。
的燃料表通过测量电池两端的电压和进出电池的库仑来跟踪电池的电荷状态(SoC)。该信息向操作系统公开。
的电池充电器根据电池的SoC、终端电压(阳极和阴极之间的电位差)和电源的能力，以适当的充电电流剖面给电池充电。
由于电池的内阻R，由于IR压降，电池端电压随负载电流I变化。内阻和电池电压本身随SoC的变化而变化。的工作电压调整器是为了隐藏由于电极电位变化和内阻变化而产生的终端电压变化，并为负载提供一个恒定的电压。移动设备由于效率高而使用开关式稳压器。顾名思义，开关模式电源包含一个开关，它打开和关闭以传输能量包(图2)．控制回路通过改变每个包的能量或包的交换频率，在变化的负载电流下保持恒定的电压。
通常，所有这些模块都包含在一个电源管理集成电路(PMIC)中，它通过串行总线与操作系统通信。在目前的设计中，操作系统和PMIC之间的交互仅限于查询操作，如查询剩余SoC。但是，这些api都不允许操作系统设置电池参数，特别是改变从电池组中的每个电池抽取或提供的电量。通过SDB系统，我们建议通过向操作系统公开一个更丰富的软件API来实现细粒度控制，以动态改变从每个电池提取或提供的电量。
3.深发展设计
SDB允许设备通过精细控制每个电池流入和流出的电量来使用不同的电池。数据库向操作系统提供api，可以根据用户的工作负载修改上述功率值。我们将在本节中详细描述数据库系统。
3.1.系统概述
SDB系统跨越三个层次的组件:电池及其化学成分、电池管理电路和操作系统。我们概述了这些组件及其相互作用图3．
SDB允许系统设计人员组合不同的电池。具体的电池选择取决于具体的应用场景，比如用于平板电脑的快速充电电池和高能电池，或者用于智能手表的可弯曲电池和高能电池。
然而，组合不同类型的电池并非易事。这些电池可能有不同的容量和不同的终端电压。因此，我们设计了一种新的功率分配电路，精细控制多节电池的放电方式，以支持系统负载。在该功率分配电路与移动设备操作系统之间有一个微控制器接口，从而相应地控制电池的充放电。
为了实现设计上的灵活性，并允许快速更改策略，我们只在硬件中实现这些机制，所有策略都由操作系统管理和设置。操作系统中的运行时组件负责监控电池的充放电行为，并根据用户的要求设置电池的日常寿命和电池包的寿命策略。
3.2.深发展硬件
SDB硬件需要支持多个异构电池的充放电。为了放电，它必须提供一个灵活的机制，细粒度控制负载电流是如何从每个电池供应。这应该支持两件事:粗粮切换跨多个电池的负载，其中总负载是由一个特定的电池提供一段延长的时间和细晶粒分享每个电池抽取一定比例的负载。
对于充电，SDB硬件必须支持对电池充电方式的控制。与现有的固定充电模式不同，SDB需要根据操作系统策略动态设置充电电流和充电模式。在某些情况下，甚至可以用另一个电池充电。
设计这些灵活的充放电电路具有挑战性，原因有二。首先，由于在这些电路中流动的大电流，任何与电流串联的电子元件都会造成能量损失。因此，这些电路设计应该引入尽可能少的这些元件。其次，我们每引入一个额外的组件都会增加设备的重量、体积和BoM成本，这将使我们提出的解决方案在竞争激烈的硬件市场上缺乏吸引力。
SDB放电电路设计。使用电子开关和电容器的组合可以实现一种简单的放电电路，如图所示图4一．微控制器通过将适当的电池连接到负载来实现负载切换。为实现负载分担，负载在电池间以循环方式进行高频切换。电流抽取的比例是由开关连接到特定电池的时间百分比决定的。电容器的作用是作为一个能量存储平滑中断由于开关。电池寄生电容和外部电容平滑高频电池电流。
然而，这种幼稚的实现有两个主要缺点。首先，这种开关通常使用场效应晶体管(FET)来实现，它有一个有限的电阻，在高负载电流下会导致显著的功率损耗。其次，具有高功率处理能力的开关和必要的电容器增加了BoM成本和所需的空间。
为了克服这些缺点，我们设计了一种新的切换模式稳压器架构，将细粒度电池切换集成到稳压器本身。所示图4 c，我们重组了内置开关，以实现电压调节，并通过加权循环的方式从电池中提取能量包，支持多个电池之间的切换。我们重复使用存储电容器来平滑由于开关引起的负载电流变化。通过运行LTSPICE，我们已经评估了所提出的解决方案在不同电池电压和负载条件下的正确性11模拟。
SDB充电电路设计。SDB充电电路应该具有以可配置的速率为电池充电的能力，并且还可以互相充电。考虑到这样的充电应该是可能的，无论电池电压，电池应该通过一个buck-boost调节器连接，这样能源是在输入和能量吸收是在调节器的输出。buck-boost稳压器是开关稳压器的一种特殊形式，稳压器的输出电压可以小于或大于其输入电压。
除了不同的充电配置外，SDB还需要对充电剖面进行动态细粒度控制。这是通过使用多个充电配置文件测量每个切换模式调节器实现的，其中SDB微控制器根据操作系统策略决策动态选择适当的充电配置文件。
图4 b展示了如何将这些模块组合起来实现一个灵活的充电电路。然而，这种配置的一个主要缺点是开关稳压器(O（N2)N影响设备BoM编码成本和空间需求。
我们设计了一个优化的充电电路，如下所示图4 c，它只需要O（N)切换模式稳压器充电N电池。当外部电源存在时，微控制器配置两者R1而且R2在巴克模式为电池充电。当外部电源被移除时，R1而且R2是禁用的。当B2是要从哪里收费的B1，R1在反向巴克模式,而R2在巴克模式，反之亦然。
3.3.SDB策略和api
说明了我们当前的SDB软件架构图5．一个深发展运行时从操作系统的其余部分封装SDB微控制器。SDB Runtime负责所有影响电池充放电的调度决策。它从操作系统的其他部分获取线索，并将充放电调度决策传递给SDB控制器。
api:对于一个具有N电池时，SDB Runtime维护2节N元组(c1、……cN)和(d1、……dN)，一个用于充电，一个用于放电。在这两种情况下N数值加起来等于1，代表了功率比，也就是说，数字代表了每一个输入和输出的功率的比例N电池。运行时通过以下4个api与SDB微控制器进行通信:
负责，c1，c2、……cN):负责N电池与c1，c2、……cN，当从外部电源充电时。放电（d1，d2、……dN):放电N电池与d1，d2、……dN，出院时。ChargeOneFromAnother（X y w t):充电电池Y从电池X以…的力量W时间T。QueryBatteryStatus():返回一个包含电池SoC、端子电压和周期计数的数组。
SDB运行时通过调整2N数字，并使用上述api将它们发送给微控制器，该api强制比率。例如，用户需求的变化、电池状态、工作负载模式或外部因素(如设备温度的变化等)可以触发这种变化。确定最优的电池充电/放电策略是非常重要的，而且潜在的算法问题是深刻而有趣的。通常，不同的电池性能是相互矛盾的。例如，一直快速充电会大大加速电池的老化。在本文中，我们只触及了这些算法问题的表面，而是描述了一组表现良好但非最优性能的自然策略启发式算法。
指标:充电/放电政策寻求优化的两个关键指标是循环计数的平衡(建行)和剩下的电池寿命(家庭成员)。RBL指标简单地捕捉设备剩余的电池寿命，假设未来没有进一步充电。换句话说，RBL是电池中的有用电荷量。CCB指标反映了充电和放电策略应该通过平衡每个电池的充电周期来最大化设备的寿命。在一个异构电池系统中，每一个电池都是一个独特的宝贵资源，在几个指标中描述的兴趣表1．因此，有一个像CCB这样的指标可以确保这些电池的老化，这样用户最感兴趣的电池的属性就会随着时间的推移而保留下来。例如，对于在低电量情况下依赖快速充电的用户来说，具有快速充电能力的电池必须被视为宝贵的资源。
具体地说,让X我为电池可耐受的充电周期数我在它的容量低于某个可接受的阈值之前，让cc我为电池充电的次数我。的wear-ratio我＝cc我/ X我描述在可容忍的充电周期中，电池已经消耗了多少部分我。我们将CCB定义为比率建行=最大我我/分钟jj，即损耗最多的电池与损耗最少的电池之间的比值，归一化为每个电池的总耐受周期计数。平衡CCB使设备寿命最大化。
充电/放电算法。目前驱动我们的SDB运行时的启发式算法很简单，由以下观察结果驱动:可以推导出充电和放电算法，单独优化CCB和瞬时RBL度量。我们使用这四种“最优”算法(CCB-Charge, RBL-Charge, CCB-Discharge和RBL-Discharge)，并通过两个参数来衡量它们，这两个参数是由操作系统的其他部分传递给SDB Runtime的。本质上，这些参数指导SDB运行时在任何时刻更重地权衡其中一个算法。例如，充电指令参数的低值表明用户不着急(例如，在晚上充电)，运行时应该优先使用CCB-Charge算法。另一方面，该参数的高值会导致运行时优先考虑RBL-Charge算法，以便在登机前尽可能快地增加电池中的有用电量(从而增加剩余电池寿命)。放电的情况也类似。
CCB-Charge和CCB-Discharge算法简单。这些策略本质上强制控制器以这样一种方式来安排电池(无论是充电还是放电)，从而使产生的CCB最小化，即尽可能接近1。我们的rbl算法更加复杂。考虑出院情况，并让y1、……yN是每个电池的电流。关键是，我们可以通过最小化所有电池的总电阻损失来最大化电池系统的瞬时RBL。这是可以实现的如果电池的电阻与dcirr - soc比率的平方根成正比。因此，rbl -放电算法寻求分配电流y1、……yN以这样一种方式，电池的有效电阻尽可能与其dcirr - soc速率的平方根成正比，最大限度地减少因电阻损失而浪费的总能量。数学上来说,让我是电池的瞬时导数我s DCIR曲线，让R我做当前的阻力。然后，RBL-Discharge算法进行平衡
R '我＝我/,R '我-R我+我y我是拉格朗日乘数常数。同样，充电(RBL-Charge)的情况也类似。SDB运行时以粗粒度时间步计算这些功率值，并根据电池制造商给出的dcirc - soc曲线更新比率。
警告是必要的。上述rbl算法仅在瞬时意义上是“最优”的。它们能使RBL(放电时)的瞬时减少量最小化，或使RBL(充电时)的瞬时增加量最大化。然而，它们不是全局最优的。在整个工作负载的长度,这些算法可能不实际的电池寿命最大化我们在第五节显示,也就是说,如果我们有未来的知识工作负载,我们可以改进上述瞬间优化算法通过暂时的次优选择系统可以获利后,例如,保持电池完全充电,如果我们知道这个电池将特别有用的建行或家庭成员未来的工作负载。例如，与始终使用瞬时机制相比，整体循环寿命或日常电池寿命可能会得到改善。
探索这些算法和其他算法的细微差别很有趣，但超出了本文的范围。我们只是注意到，SDB资源优化问题不同于传统的资源调度机制，如Big。由于问题电池中的资源，很少的处理器、混合存储和SSD磨损均衡。传统资源管理算法的主要重点是在一些固定的时间段内高效地跨多个实体复用资源，例如用户、进程、虚拟机，或者在ssd情况下擦除块。电池资源调度的挑战有三个方面:不能简单地通过最小化瞬时功率损耗来延长电池的日常寿命;它们的长期循环寿命不能简单地通过平衡电池的循环寿命来延长。如我们在第5节中所演示的，通过选择可能不是瞬时最佳的策略，可以使用即将发生的工作量的知识来改进后两个指标。我们希望公开适当的api将有助于系统和算法设计师根据他们的电池配置定制调度算法，并根据预测和预期的用户行为定制用户工作负载。
4.原型和微基准测试
在本节中，我们将描述SDB的实现，并提供微基准来评估它。
构建了数据库硬件架构的硬件原型图4 c．图6显示原型的组件。
我们用ARM Cortex M3微控制器和低损耗开关电路构建了一个自定义控制板。我们还建立了一个自定义燃料表模块，包括库仑计数器和控制器。我们改进了一个现成的电池充电器评估板，使控制板上的微控制器能够动态设置充电电流。这些硬件模块是相互连接的，如下所示图6．
我们使用一个理想的二极管在电池之间切换。电池之间的切换非常快，因此电池看到一个恒定的，平滑的电流。我们注意到，这种开关造成的小功耗低估了所提出的解决方案所能达到的效率。如第3节所述，通过增加现有的开关稳压器来在多个电池之间切换，可以消除额外的功率损失和高组件成本。
电路板是由Altium Designer设计的，1一个电路板开发包。固件采用ARM V7.40工具链IAR语言，用C语言编写。主板固件包含3500行代码。我们还开发了原型数据库运行时，如图5有1200行代码。
我们进行了模拟和微基准测试，以评估我们的硬件设计的效率和准确性，以及评估固件和运行时的正确性。电路模拟在LTSPICE中完成，11以集成电路为重点的仿真程序(SPICE)。我们生成的电路如图所示图4，并在各种电力负载下进行了广泛的模拟，以验证系统的正确性、稳定性和响应性。
4.1.深发展模拟器
我们在其他电池研究人员建立的Thevenin模型的基础上建立了一个电池模型3.，4，5，6，9用来模拟生产设备中使用的电池。文中重现了简化的Thevenin模型图7．该模型有四个参数:开路电位、内阻、浓度电阻和平板电容。
电池的开路电位是在无负载时电池两端的电压。它随着电池剩余电量的增加而增加。电池的内阻是当施加负载时横跨电池端子的电阻。它会随着电池剩余电量的减少而减少。在图7 b而且c，我们分别绘制了一些电池在剩余能量增加时的开路电势和电阻。
电池的浓度电阻和极板电容是给定电池的固定值。我们测量了几种电池的开路电位、内阻、浓度电阻和极板电容。我们使用行业标准阿尔宾BT-20002和Maccor 420012电池循环和测试硬件测量电池性能。
该模型采用初始SoC、OCP与SoC、电阻与SoC、浓度电阻和极板电容来模拟电池。在每个时间步，它根据SoC估计OCP和电阻。使用更新后的值，它在时间步长之后计算SoC的值。
我们使用一些电池建立了电池模型，并与其他相同类型的电池进行了验证。其中一种电池的验证结果显示在图8．结果表明，该模型的精度可达97.5%。我们一共制作了15节电池:2节4型，2节3型，8节2型，还有3节其他型号(参见图1一个)．
我们实现了一个简单的软件层，它根据操作系统设置的电源策略将输入电源需求划分到给定数量的电池上。模型和SDB模拟器使用4800行代码跨C编写的模块集成到操作系统中＃．
我们专注于两个硬件平台:平板电脑和手表。这款平板电脑采用英特尔酷睿i5处理器、4GB DRAM、128GB SSD、12英寸显示屏，是一款“二合一”的开发设备。这款手表是高通骁龙200开发板，其硬件类似于几款智能手表。功率提取然后输入到模拟器，计算从电池吸取的能量。
5.深发展的应用程序
在本节中，我们将描述两个从将SDB与异构电池一起使用中受益的场景。我们还展示了如何针对不同的场景定制SDB策略，并展示了将未来工作负载知识集成到SDB系统中的好处。
5.1.采用灵活的电池
柔性和可弯曲性是可穿戴设备的重要结构特性，例如，具有柔性和可弯曲性的表带往往更容易佩戴。巧合的是，有一些新兴的电池化学物质可以实现可弯曲性。不幸的是，这种可弯曲性是以电池的其他特性为代价的。这种电池使用固体(类似橡胶的)电解质来代替传统的液体(聚合物)电解质。不幸的是，电解质的固体(弹性)状态增加了锂离子的电阻，因此，这样的电池有更高的内部损耗。我们测试的几种原型可弯曲电池在处理低功率工作负载方面表现出色，但在处理高功率工作负载时往往效率很低。
SDB可以为智能手表中的小型传统锂离子电池增加可弯曲电池。这有助于设计更好的可穿戴设备，利用皮带空间来增加容量，但仍然能够在跑步和骑车时执行GPS跟踪等高功率工作。减少刚性锂离子电池的尺寸也允许设计一个更小的笨重的手表体。
电池在表带中的可弯曲性是一个福音，但它的低效率是一个祸害，必须进行智能管理，以最大限度地延长设备的有效电池寿命。重要的是在高效电池中保存能量，以备用户执行电力密集型任务时使用。例如，用户可以在一天中的某些时间锻炼、跑步或骑自行车，这些都需要高功率。因此，SDB策略应该在这种情况下保持有效的电池。
由于智能手表的使用会随着用户的不同而不同，我们比较了两个极端的参数值来展示SDB的好处:一个通过从电池中提取适当的电量来最小化瞬时损耗，另一个从低效电池中提取更多的电量来节约高效电池。
图9演示设置和结果。我们使用200毫安时的锂离子电池和200毫安时的可弯曲电池。对于一个典型的用户，他一整天都在智能手表上查看信息，晚上出去跑步，我们绘制了工作负载和电池的瞬时损耗。我们发现后一种方法最大限度地减少了总损耗，因此增加了一个多小时的电池寿命。这些结果证明，通过设置正确的参数，能够了解用户日常日程的移动操作系统可能能够提供更好的电池寿命。另一方面，有趣的是，如果用户没有去跑步，那么第一种策略可能会提供更好的电池寿命，这意味着在不同的电池设置下，了解即将到来的工作负载可以帮助节省能源。
5.2.2合1电池管理
二合一设备是指拥有可拆卸键盘的平板电脑。有些这样的设备在键盘下面还有另一块电池。在这样的设置下，有两个电池暴露在操作系统中，通常具有不同的容量，但内部化学成分相同——传统的锂离子电池。但是底座的电池效率较低，因为它只用于给平板电脑的电池充电。用外部电池给内部电池充电会损失大量的能量，但设备制造商选择这种方式的原因是为了简化设计。
通过操作系统的SDB可以通过理解用户的行为和期望来提高内部和外部电池的寿命。从外部电池获得的能量既可以用于运行系统，也可以为主电池充电，或者两者兼而有之。对于很少拔掉外部电池插头的用户，更好的解决方案是同时从两个电池吸取能量，因为内部损耗与电流的平方成正比(电阻损耗=我2R)．因此，在两个电池之间分配能量，减少了内部损耗，增加了传递给系统的能量。
然而，这种策略对于大部分时间只使用平板电脑的用户来说可能并不理想。对于这些用户来说，尽可能长时间地从外部电池获取能量以处理系统负载以及为内部电池充电更有意义。
操作系统设置低的参数值为次数，当预期外部电池插入较长时间，而高的参数值为次数，当电池危机时外部电池插入。
图10展示了在开发二合一设备上使用两个相同大小的传统锂离子电池的不同应用工作负载下的两个极端参数的比较。结果表明，使两个电池同时供电的参数比使一个电池给另一个电池充电的参数多22%的电池寿命。然而，对于只在短时间内使用备用电池的用户来说，这种收益是无法实现的。因此，操作系统必须学习、预测和适应用户的行为，以设置适当的参数。
6.结论与未来工作
设备要求通常很难满足一个单一的电池，因为这些要求往往是相互冲突的。我们提出了一个数据库系统，它允许一个设备使用多个异构电池，并得到最好的所有它们。SDB硬件的设计理念是成本低，功能丰富。SDB api允许操作系统根据应用程序工作负载动态地将充电路由到电池或从电池充电，从而满足总体目标(电池寿命、周期计数、快速充电等)。我们展示了几个可以用SDB启用的新场景，并使用一个原型和详细的仿真演示了其可行性。
下一步，我们将从两个主要方向开展SDB工作。首先，我们将Siri、Cortana和谷歌这样的个人助理绑定在一起。现在，我们可以了解用户的行为和用户的日程安排，通过使用这些信息，操作系统可以更好地进行参数选择。例如，如果用户的配置文件显示用户在晚上玩电子游戏，那么SDB可以为该工作负载保留更高的功率密度的电池。其次，我们正在开发更多能从这项技术中受益的设备，如无人机、智能眼镜和电动汽车。每一种都需要不同的电池化学组合，而SDB逻辑也可能不同。例如，我们正在为电网中的混合能源存储提出技术7，10或者数据中心的混合电源，8以提高电动汽车的寿命。电动汽车的导航系统可以向数据库运行时提供车辆的路线提示，然后数据库可以根据交通状况、坡度、温度和其他因素决定合适的电池。我们的初步分析表明，SDB可能帮助这些系统实现到目前为止被认为是彼此不一致的权衡。
致谢
Jon Crowcroft、Srinivasan Keshav、Matthew Lentz和Vasuki Narasimha Swamy的深刻评论极大地改进了本文的最终版本。
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数据
图1。锂电池特性。(a)锂离子电池比较。(b)充电速率影响寿命。(c)放电速率与能量损失。
图4。(a)基于开关和电容的简单电池开关解决方案。(b)由两个buck稳压器和两个具有动态充电参数的buck-boot稳压器组成的柔性充电电路的幼稚实现。(c)用于示例双电池系统的SDB硬件架构。切换模式稳压器实现跨多个电池放电和反向降压稳压器实现充电。
图7。电池模拟器:(a)电池模型有四个变量，通过实验学习:开路电位、内阻、浓度电阻和极板电容。这个模型允许我们以可扩展的方式进行实验。(b)电池的开路电位随着电池的带电状态(剩余能量)的增加而增加。(c)电池的内阻随充电状态而减小。
图8。对电池测试硬件的模型验证表明，我们的模型是97.5%的准确性。
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