| 出版日期：2004-11-01 总期号：592 本年期号：42 |
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让动力澎湃不息
——详细分析笔记本电脑电池及节能技术 径山茶 与台式机不同，笔记本电脑狭小的内部空间、不理想的散热条件以及用户强调的良好便携性要求使得笔记本电脑的所有部件不仅在设计制造时都遵循了迷你化原则，而且还十分强调电能消耗的低功耗，以尽量节省电能。从笔记本电脑众多硬件设备的发展来看，电池技术一直是个薄弱环节，为了能获得较为理想的移动应用，各笔记本电脑厂商都在自己的产品中采用了一些节能技术，虽然技术不尽相同，但殊途同归，最终的目的都是为了节能，为了让电池能用上更长的时间。 笔记本电脑电池相关技术 ■ 电池的工作原理 
图1 如今的笔记本电脑电池绝大部分属于锂离子电池，这类电池具有体积小、容量大、重量轻、污染小及循环寿命长等特点，但价格较为昂贵。锂离子电池的工作原理如图1所示，它是由能使锂离子在正、负极电极间移动的材料组成的。充电时，锂离子由正极移向负极并嵌入碳层中，放电时锂离子脱离负极移向正极，电池充电、放电的化学反应过程为： 充电：LiCoMO2+Cn→Li1XCoMO2+CnLix 放电：Li1XCoMO2+CnLix→LiCoMO2+Cn 锂离子电池处于放电状态时，锂离子不能全部移向正极，而必须保留一部分在负极，以保证下次充电时锂离子畅通地嵌入通道，否则，电池寿命就会变得相当短。一般来说，单个锂离子电池的放电终止电压为3.0V，最低不能小于2.7V。根据锂离子电池的工作机理，锂离子电池的充电截止电压为4.2V，不能过充，否则会造成晶体坍塌，而使电池处于寿命终结状态。 ■ 电芯的容量及组合 
图2 笔记本电脑电池内部有电芯和电路两部分，通过电芯的并联、串联，然后再加上充放电控制和保护电路就构成了一块完整的笔记本电脑电池。笔记本电脑电池中的锂离子电芯以编号为“18650”的圆柱形电芯最为常见（图2），由于单个锂离子电芯的容量较小，厂商为了能有效延长电池的使用时间，往往把2~3个锂离子电芯并联，然后再把3~4组已并联的电芯组串联，从而构成一个电池组。 各家厂商在电池技术上的差别比较小，主要差别在所用电芯的品牌、个数和容量，以及充放电控制电路的设计上。比如某品牌笔记本电脑电池标称为“9 Cell Lithium-Ion”，俗称“9芯电池”，其含义是该电池内部装备了9个锂离子电芯。如果不清楚手中的笔记本电脑电池为几芯电池，那么我们可以通过一些简单的计算来获得。单个锂离子电芯的电压为3.6V（也有厂商标为3.7V），容量大多在1800mAh~2200mAh之间，根据这些参数以及电池外壳上标注的电压和容量，我们就可以推算出内部电芯的个数和单个电芯的容量。如一块笔记本电脑锂离子电池上标有“10.8V 4400mAh”字样，说明电池的电压为10.8V，电池容量为4400mAh。用10.8去除以3.6（或3.7），再用4400除以1800（或者是2000、2200等），就可以得知该电池采用的电芯组合方式为两两并联，然后三组串联构成电池组，共有6个电芯，单个电芯容量为2200mAh。要提醒大家的是，衡量一块电池的供电能力或者比较两块电池可以提供的电能有多少，不能只看电池的容量，更不能只看电池的电压，而应该是比较电压和容量的乘积的大小（如10.8V×4400mAh=47.52Wh），这个数值其实是电池可以输出的实际电功率。 ■ 个性化的电池技术 
图3 
图4 有些厂商在笔记本电脑电池中安装了专用的电源管理芯片，不仅可以更智能地管理电池的充放电，而且还能更详细地给用户提供一些电池参数，从而使用户能方便地了解到电池的状态。比如IBM笔记本电脑的电池就是典型的例子，电源管理芯片与配套软件IBM ThinkPad Battery MaxiMiser配合使用，不仅可以显示图形化的电池电量百分比，知道电池处于什么状态（如充电、放电或未活动），还能了解到电池的设计电压、设计容量、满充容量（也可称为当前容量）、充电次数、电池当前温度，还有电池的制造日期、首次使用日期、电池编号和FRU零件号码等信息，应有尽有，非常详尽（图3）。通过电源管理芯片，Battery MaxiMiser还可以根据电池现有的满充容量、使用时间及放电曲线来“估算”电池目前的状态，如果电池状态良好，Battery MaxiMiser将会在“Battery Health”中显示绿色图标，如果显示为黄色图标，说明电池性能已有较大下降，万一显示为红色，则电池性能已不良，需进行维护或修理，Battery MaxiMiser还会告诉你如何对电池的状态进行检查与维护，由此看来，IBM想得的确周到。 还有的笔记本电脑厂商为了让用户在不开机时也能了解到电池的电量状态，在电池内部的电路中增设了电量检测显示功能，用户只需按下电池上的电量检查按钮，即可从闪亮的LED灯的多少来大致判断电池剩余的电量（图4为三星X05笔记本电脑电池上的电池电量显示装置），很方便也很直观。 部分厂商的笔记本电脑（如IBM、SONY的部分机型）支持在机器上同时安装第二块电池，当一块电池电力耗尽时，笔记本电脑会自动切换到第二块电池继续给笔记本电脑供电，这样可以使笔记本电脑拥有更长的续航时间。两块电池的切换中途不会对已打开的程序产生任何不良影响，使用非常方便，其中SONY的笔记本电脑还可以让用户设置先用哪一块电池，并且可以随时切换，更加贴心。 笔记本电脑电池的充电时间一般为2~4小时左右，一些厂商为了方便用户，还设计了电池快充功能，可以明显地减少充电时间，此功能在那些笔记本电脑电池电量不足而又必须使用电池给机器供电的场合中即可发挥出优势来。 ■ 新型电池 
图5 ■ Intel SpeedStep技术 自PIII级别的CPU起，Intel采用了一种名为Speedstep的技术（部分早期的PIII CPU不支持该技术），SpeedStep技术发展到现在已有三代： 采用第一代SpeedStep技术的笔记本电脑使用交流电源或电池时，能自动对CPU的工作电压和运行频率进行切换，因而也就产生了两种不同的CPU工作模式：使用交流电源时的最高性能模式（Maximum Performace Mode）和使用电池时的电池优化模式（Battery Optimized Mode），笔记本电脑根据电源情况自动切换工作模式。 第二代SpeedStep是Enhanced SpeedStep，可以根据CPU的负荷情况在两种性能模式之间实时进行电压和频率的动态切换，也就是说可以在电池驱动时根据CPU负荷情况自动切换到最高工作频率和电压，也可以在接交流电源时根据CPU负荷情况自动切换到最低工作频率和电压。 Improved Enhanced SpeedStep被称为第三代SpeedStep技术，尽管仍只有两种基本工作模式，但同时还具有多种中间模式，支持多种频率速度与电压设置（由CPU的电压调整机制来控制），根据CPU负荷的强度自动切换工作模式。移动Pentium M处理器中，Intel重新设计了这个技术，被称之为“增强型SpeedStep”。 SpeedStep技术可以自动或按用户的命令来进行切换工作模式，切换时间小于1/2000秒。当处理器切换为低频率工作时，SpeedStep技术会降低处理器的工作电压和运行频率，进而降低功率消耗。比如一块标称频率为1.13GHz的PIII-M处理器，最高性能模式时运行频率是1.13G Hz，而电池优化模式的工作频率是733MHz，最新的P-M CPU不管标称频率是多少，处于电池优化模式时均降为600MHz来运行。 ■ AMD PowerNow技术 
图6 AMD PowerNow!技术（图6）是一项基于AMD移动处理器的节能解决方案，是一种高效、动态的电源管理技术，它不仅大大延长了电池的使用寿命，还可以加强处理器的散热和降噪，从而使处理器发挥高性能时不至于产生大量的热量。PowerNow!技术可以根据系统正在运行的应用程序动态地为系统提供最有效的执行效率，从而在保证整体性能不下降的前提下，大大降低系统功耗。PowerNow！技术共拥有三种模式，即全速运行的高性能模式，以省电为目的始终以最低速度最低电压运行的省电模式，以及在性能和功耗间取得平衡的自动应用模式（笔记本电脑处于该模式时，CPU会自动选择合适的主频和工作电压，以适合应用的需要）。 AMD PowerNow!技术可以使笔记本电脑拥有多达21种节能状态，而且可以在同步执行多个应用程序时，最大限度地保证系统运行的最佳性能并降低功耗，从而有效延长电池使用时间。笔记本电脑可以根据用户的使用状态智能调节性能，实现了按需求定制计算性能，扩大了笔记本电脑用户的应用空间。AMD PowerNow！技术最大优点在于：它是采用动态检测CPU使用状况，自动选择CPU的最佳工作频率和核心电压，以此来实现节能减少发热量的，而且不会导致笔记本电脑性能的下降，可以说是在低功耗与高性能这对矛盾中找到了最佳的平衡点。 ■ 全美达LongRun技术 全美达是一家以研制低功效、低发热量笔记本电脑CPU而著称的公司，生产的CPU拥有类似Intel CPU中SpeedStep功能的LongRun技术，用于智能调节CPU的电压和时钟频率，使其功耗和发热量得到较为明显的改善，而在CPU特有的深度睡眠状态中耗电量的改善更是可观。 全美达首款第二代的90纳米Efficeon移动处理器的工作频率将为1.60GHz，其功率是7W，只有同为90纳米的Intel Dothan的21W的三分之一，而其性能却要比Intel超低电压的Pentium M略胜一筹（但与Intel Dothan相比尚有不小差距），在性能和功耗方面达到了目前最高的平衡状态，可以最大限度地达到省电的目的，这主要归功于能自动调节处理器电压和功耗的LongRun2技术。 LongRun技术允许代码融合软件根据应用软件对处理能力的需求，敏感地调节CPU的电压和时钟频率。因为功耗与时钟频率和电压成正比，调节之后功耗明显降低。虽然其他CPU主要也是靠这种方式调节功耗，但是LongRun的敏感程度比其他任何CPU都要高。在CPU工作时，LongRun一直监视处理器的工作，一旦运行条件改变就立即动态交换这些信息，然后找出电流工作满载的最低频率和电压点来代替刚才的工作频率和电压点。这些改变对于CPU来说都是连续的、即时的，所有的调节对用户来说都是无缝和透明的。 个性化的电源管理技术和软件 ■ IBM PM Device和Battery MaxiMiser 
图7 此外，该软件还能显示出电池的详细情况，如电压、容量、充电次数等参数。为了更有效地节电，除了CPU之外，Battery MaxiMiser还提供了PCI总线及CD-ROM的运行速度的调节选项（图8），可谓独具匠心。 ■ ASUS（华硕）的独家省电技术Power 4 Gear 
图8 华硕独家开发了名为Power 4 Gear的省电切换技术，该技术可以让用户练就“一指神功”——通过一个快捷键就可快速变更系统效能模式，从而降低电量消耗，延长电池使用时间。用户按下该快捷键，可以在笔记本电脑屏幕上显示出四个不同图示画面，分别代表四种效能模式，即最省电模式（Max.Power Saving，用行人图标表示）、一般效能模式（Medium Performance，用摩托车图标表示）、高效能模式（High Performance，用汽车图标表示）和全速模式（Max.Performance，用飞机图标表示）。让用户不需进行繁琐的省电功能设置，按下一个效能设定键就能满足追求极致性能或电池长时间续航能力等不同要求，这就好比是智能汽车采用的自动排挡一般那样运转自如，根本不用让用户费心。Power Gear还支持用户根据自己需求对四种模式下的待机、休眠、显示屏亮度及闲置关闭时间及硬盘闲置停转时间进行预设。 ■ SONY的电源管理软件 
图9 PowerPanel是SONY笔记本电脑专用的电源管理软件，通过软件内置的多种管理模式，可以让笔记本电脑根据当前系统的负荷来自动调整CPU的频率、LCD亮度等项目（图9），并且使用图标来表示设定的结果，非常简明易懂。PowerPanel也支持用户自定义电源管理模式，PowerPanel的交流电源主题和电池主题是分开的，我们可以建立多个分别针对使用交流电源或使用电池的主题，再把这些主题灵活地组合起来形成多个电源管理方案，从而满足不同场合、不同工作状态下的应用要求。PowerPanel的电源主题还可以与某个程序进行关联，比如把一个电源主题与Photoshop关联后，当我们启动Photoshop时笔记本电脑就会自动切换到这个电源主题（如CPU全速运转、显示屏亮度全开），这是SONY的“独门秘籍”，大大方便了用户。 PowerPanel除了可以根据用户的需求来“按需分配”电源主题外，还允许用户禁用暂时不用的硬件设备，如光驱、摄像头、Memory Stick Pro插槽或者IEEE1394接口等，这样可以为笔记本电脑节省更多的电力。在PowerPanel的控制下，SONY笔记本电脑的屏幕亮度调节也与众不同，不像其他品牌的机型那样是—级一级的跳跃调节，而是亮度渐变调节。此外，PowerPanel还是VAIO笔记本电脑的电池信息管理软件，要查看笔记本电脑的电池信息（如电池当前的可充电容量和充电次数等），双击PowerPanel在任务栏上面的图标即可看到“Battery Information”窗口。PowerPanel还支持用户对电池充满电或用完电时进行自定义提示信息，非常人性化。 ■ TOSHIBA的电源管理程序 
图10 TOSHIBA笔记本电脑搭载的电源管理软件是自行开发的Power Saver Utility，安装该软件后，Windows内建的电源管理的界面已变为不可调整的灰色了，即Windows标准的电源管理程序已被Power Saver Utility取而代之。该软件以自定义功能强大而著称，用户可以详细地定制显示屏的亮度、CPU速度、硬盘闲置的停转时间以及机器闲置多长时间进入待机或休眠状态。Power Saver Utility还允许用户禁用某些设备（如网卡、无线网卡、USB口等）来达到省电的目的，最大限度地延长电池的续航能力（图10）。Power Saver Utility把任务栏中的SpeedStep图标也更换了，查看图标我们就可以方便地了解到CPU的工作情况。 Power Saver Utility的设置选项极为丰富，除了Windows电源管理的所有功能外，其最有特色的功能是允许电源管理方案随着电池电量的变化而自动变更，从而达到精确调节的目的。此外，Power Saver Utility界面中有多个调节选项，用户还可以自己设定在电量下降到某一百分比的时候发出某种声音、出现提示信息或者启动某个程序。由此可见，Power Saver Utility在设计时考虑非常周全。 与IBM、SONY相比，Power Saver Utility中的电源管理方案的更换显得更加方便，用户只需按“Fn+F2”快捷键就可以来回切换不同的方案，而且这些方案也会以不同的图标列出，让人一目了然。不过笔记本电脑工作在交流电源状态下默认只有“Full Power”这一个电源管理方案，我们可以建立一个新的电源方案或者将电池供电状态下的电源方案拖动到交流电供电状态的显示框中才正常使用切换功能。要注意的是，为了避免选错，在创建电源管理方案的时候要选择不同的图标。 ■ 联想的Battery Miser 
图11 联想笔记本电脑的电源管理程序为Battery Miser，是一款基于Windows XP电源管理基础上可以进行节电项目控制的电源管理软件，不但可以完全实现Windows XP电源管理的所有功能，还设计了一些诸如关闭音频设备等选项（图11），而且管理界面更加友好。 Battery Miser还能给出较为详细的电池信息，如显示电池的工作电压、电流和当前输出功率，还能显示出动态的曲线图，非常直观，其中负数表示电池处于放电状态，而正数表示电池处于充电状态。从测试情况来看，Battery Miser可以取得不错的管理效能，如在联想S620在Battery Miser的管理下，电池的单位功率工作时间达到了6分多钟，可以说电源管理的效果非常明显。 以上列举的是几个较有代表性的笔记本电脑品牌的电源管理技术和软件，虽然管理界面及方法不尽相同，但其功能或目的都是一致的——一切为了节能，从而尽可能地延长电池使用时间。相比之下，这些电源管理技术和软件中，尤以TOSHIBA的Power Saver Utility功能最为强大，最具个性化。 |
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