面向便攜電源的鋰離子電池技術(shù)

　　一塊典型的筆記本電腦電池可以容納50W以上的能量，它的設(shè)計(jì)、構(gòu)造和使用都要非常小心，確保不超過(guò)安全限度。幾乎沒有哪位電路設(shè)計(jì)工程師希望或需要成為電池專家，不過(guò)他們必須保證系統(tǒng)的電池塊能安全地完成自己的使命，并且主系統(tǒng)要在運(yùn)行期間監(jiān)控電池塊的工作情況。為滿足這些限制條件，你必須了解如何給出一個(gè)電池塊的規(guī)格，它需要哪些類型的測(cè)試與檢查，以及你的應(yīng)用如何在工作時(shí)監(jiān)控電池塊的健康狀況。

　　由于具備高能容量，鋰離子電池成為便攜消費(fèi)設(shè)備供電的主流。不過(guò)，安全考慮也迫使制造商將電池芯封裝在一個(gè)電池塊內(nèi)，其中一般包含了保險(xiǎn)、監(jiān)控電路、電量計(jì)、SMBus（系統(tǒng)管理總線）接口，以及授權(quán)電路。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的18650電池芯與AA電池尺寸相同，但即使設(shè)備采用的是單電池芯，也要求將電池芯封裝為包含安全電路和保險(xiǎn)的電池塊。

　　除了化學(xué)特性和技術(shù)特性以外，還必須選擇一家有穩(wěn)定供應(yīng)鏈的鋰離子電池芯供應(yīng)商，以保證電池塊和電池芯的穩(wěn)定貨源。由于各種原因（包括近些年的批量召回、工廠倒閉以及材料短缺），鋰離子芯的獲得越來(lái)越困難。這些問題再結(jié)合日益增高的運(yùn)輸成本，不利的匯率，消費(fèi)電子、電動(dòng)工具、汽車對(duì)鋰離子電池越來(lái)越多的需求，以及電池芯上漲的價(jià)格，你就會(huì)明白為什么必須把穩(wěn)定的供應(yīng)鏈作為選擇電池供應(yīng)商的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)。

　　在20世紀(jì)90年代初期，索尼公司成為第一家制造鋰離子電池芯的廠家，并與松下一起保持著最大電池芯供應(yīng)商的地位。成本敏感的中小批量產(chǎn)品可以去買商店現(xiàn)售的電池塊，它們來(lái)自中國(guó)的成千家中小型供應(yīng)商。不過(guò)在選擇電池塊時(shí)不要過(guò)于考慮價(jià)格：嘗試在入廠檢查時(shí)作質(zhì)量測(cè)試幾乎沒有成本效益，而電池塊的現(xiàn)場(chǎng)故障是危險(xiǎn)的源頭。對(duì)于有成本意識(shí)的小批量應(yīng)用，商店的現(xiàn)售電池塊是一種可行的途徑，但不要將價(jià)格作為決定性因素。大批量應(yīng)用經(jīng)常可以確定一個(gè)定制電池塊的開發(fā)成本。另外，需要高質(zhì)量和大功率的中小批量應(yīng)用（如醫(yī)療應(yīng)用）可以承受一個(gè)較高的價(jià)格，也有理由定制一個(gè)電池塊。

　　你可以與電池芯供應(yīng)商或電池塊設(shè)計(jì)工作室合作開發(fā)一種定制的電池塊。當(dāng)與電池塊供應(yīng)商合作時(shí)有一個(gè)有價(jià)值的交流工具，即一組功率曲線，它表示在不同工作模式下（包括溫度極限），應(yīng)用隨時(shí)間的變化曲線。電動(dòng)工具可能有一個(gè)放電曲線，它對(duì)應(yīng)于切割或鉆孔工作下的大電流脈沖。脈沖的幅度和時(shí)間會(huì)隨材料的形狀而變化。一臺(tái)有射頻收發(fā)器的設(shè)備在發(fā)射時(shí)也會(huì)有脈沖尖峰，必須為顯示器和其它功能提供連續(xù)電流。向你的電池塊供應(yīng)商提出要求，用原型電池塊證明其設(shè)計(jì)可以滿足所有功率曲線的需求。

　　定制電池塊設(shè)計(jì)與制造商MicroPowerElectronics的營(yíng)銷經(jīng)理RobinTichy稱，該公司的一些醫(yī)療應(yīng)用客戶要求對(duì)每塊電池作測(cè)試，且測(cè)試應(yīng)包括一個(gè)完整的充放電周期，以此來(lái)確信該公司正確地組裝了每個(gè)電池塊，并有足夠的容量。有些情況下，該公司還必須為生產(chǎn)線開發(fā)一種專門定制的測(cè)試儀。有些客戶只要求一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓測(cè)試來(lái)保證正確組裝，而其它客戶則只要求廠家對(duì)產(chǎn)品樣品作測(cè)試。

　　如果你的電池塊設(shè)計(jì)要求采用相對(duì)廉價(jià)的電量IC，它對(duì)電池塊作校準(zhǔn)并測(cè)量進(jìn)出電池的電荷，統(tǒng)計(jì)庫(kù)侖值，然后在組裝后必須對(duì)每個(gè)電池塊作單獨(dú)充放電。這種校準(zhǔn)增加了制造成本和電池塊的總價(jià)格。Tichy建議權(quán)衡一下采用較貴電量計(jì)的得失，如德州儀器公司的ImpedanceTrack系列，它不需要初始的充放電周期。

　　IEEE1625標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)用于便攜計(jì)算的可充電電池，覆蓋了筆記本電腦電池塊的測(cè)試需求（參考文獻(xiàn)2）。繼戴爾、惠普、蘋果和其它筆記本計(jì)算機(jī)制造商召回電池塊以后，IEEE在2006年末宣布它將修改IEEE1625指定的測(cè)試要求。該組織仍在修訂標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)劃在2009年公布（參考文獻(xiàn)3）。IEEE1725是另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它面向手機(jī)和電池塊的測(cè)試。另外，UL（擔(dān)保人實(shí)驗(yàn)室）1642覆蓋了鋰離子電池的電子、機(jī)械與環(huán)境測(cè)試。電池供應(yīng)商Boston-Power的工程副總裁RichChamberlain稱，業(yè)內(nèi)認(rèn)為UL1642規(guī)范是最低的測(cè)試，尤其是在筆記本電腦市場(chǎng)，而業(yè)內(nèi)大多數(shù)制造商要做更多的測(cè)試，以確保電池塊的安全。
　　電池塊的特性也可以作為差異化特性，你的客戶可能為它支付更多金錢，或者該特性可能影響客戶的購(gòu)買決策。例如，客戶可能希望花更多錢購(gòu)買一個(gè)有更長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，或充電時(shí)間較短的電池塊。與之相似的是，最終用戶的電池塊總擁有成本不僅包括電池芯、電源管理電路和封裝，還包括循環(huán)壽命次數(shù)：較多循環(huán)意味著更長(zhǎng)的壽命。

　　鋰離子電池芯不是現(xiàn)成商品，但可以對(duì)它們作精細(xì)調(diào)節(jié)，如改變陽(yáng)極和陰極的化學(xué)構(gòu)成、厚度，以及內(nèi)部分隔器的成分。Chamberlain建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要與電池芯供應(yīng)商和電池塊設(shè)計(jì)者交流，根據(jù)自己設(shè)計(jì)的性能需要和外形尺寸來(lái)選擇電池芯，甚至定制一種電池芯。Boston-Power于2007年開始提供的最初產(chǎn)品是Sonata電池塊，設(shè)計(jì)者可以將其用于筆記本電腦設(shè)計(jì)。Sonata面世時(shí)恰逢戴爾與索尼的電池塊召回。Sonata的安全特性包括電池芯內(nèi)更穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)、專利的電流控制電路、新的熱保險(xiǎn)，以及泄壓口。

　　Chamberlain以Sonata中的電池芯結(jié)構(gòu)為例，闡述了電池塊設(shè)計(jì)中的安全考慮如何補(bǔ)充性能需求。他說(shuō)：“一個(gè)典型的筆記本電腦電池塊采用一種三串兩并的六芯結(jié)構(gòu)。通過(guò)并聯(lián)電池芯的電流會(huì)被分流，并且，由于這些電池芯的阻抗特性略有差別，電流通過(guò)這些電池芯的方式也稍有不同，因此導(dǎo)致了電池芯壽命的差異和安全問題。Sonata電池芯有比普通電池芯更大的格式：我們將三只電池芯串聯(lián)，沒有并聯(lián)結(jié)構(gòu)。這樣似乎相對(duì)簡(jiǎn)單，但電池塊中的這種變化可提供很多性能和安全方面的改進(jìn)。”

　　電池芯定制的另一個(gè)例子是電極的厚度：通過(guò)控制厚度，可以作高能存儲(chǔ)或大功率方面的優(yōu)化。一個(gè)定制電池芯的研制時(shí)間并不需要太長(zhǎng)：據(jù)Chamberlain稱，只要六個(gè)月的研制時(shí)間，就可以修改電池芯中的一種化學(xué)成分。其它更大的變化則可能要花更多時(shí)間。不過(guò)他說(shuō)：“除非你與一家電池芯供應(yīng)商討論，否則永遠(yuǎn)不知道要用多長(zhǎng)時(shí)間?！?

　　由于一個(gè)電池塊中包含鋰離子電池芯等電路，重要的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要與電池塊設(shè)計(jì)者相互合作，理解電池塊中電源管理電路扮演的角色，以確保安全與性能。智能電池塊可以與主機(jī)通信，報(bào)告電池的充電狀態(tài)和健康狀況，如壽命周期、溫度、充放電電流和電壓閾值，提供最高等級(jí)的安全與性能。這種電路通常是電池塊電量計(jì)的一部分，這個(gè)電路還要負(fù)責(zé)筆記本電腦或手機(jī)顯示屏上的電量符號(hào)。

　　電池塊電路可以有一個(gè)電量計(jì)IC、一個(gè)模擬前端，包括過(guò)充保護(hù)和電池芯平衡，以及一個(gè)過(guò)壓保護(hù)IC）。如果一個(gè)電池塊的溫度超過(guò)了某個(gè)預(yù)設(shè)限度（一般是50°C），則電量安全電路會(huì)通過(guò)與電池芯串聯(lián)的兩個(gè)充放電安全MOSFET中的一個(gè)，暫時(shí)切斷電池塊的供電。一旦溫度降到工作溫度范圍內(nèi)，電路使MOSFET重新導(dǎo)通，電池塊恢復(fù)供電。

　　你可能有這種經(jīng)歷：當(dāng)手機(jī)或筆記本電腦暴露在陽(yáng)光下或在一輛酷熱的汽車中放得過(guò)久時(shí)，它們會(huì)關(guān)機(jī)。然后經(jīng)過(guò)一段冷卻后，它們又能恢復(fù)工作。不過(guò)，如果溫度持續(xù)在高位，或電流總穩(wěn)定在不安全范圍內(nèi)，則電路將使一個(gè)化學(xué)保險(xiǎn)燒斷，永久切斷電池塊。一旦化學(xué)保險(xiǎn)燒斷，則電池塊就不可恢復(fù)，需要送還回收中心。