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电池技术知识解析:面向便携电源的锂离子电池技术

2013-06-08 14:32 来源:电源网 编辑:云际

一块典型的笔记本电脑电池可以容纳50W以上的能量,它的设计、构造和使用都要非常小心,确保不超过安全限度。几乎没有哪位电路设计工程师希望或需要成为电池专家,不过他们必须保证系统的电池块能安全地完成自己的使命,并且主系统要在运行期间监控电池块的工作情况。为满足这些限制条件,你必须了解如何给出一个电池块的规格,它需要哪些类型的测试与检查,以及你的应用如何在工作时监控电池块的健康状况。

由于具备高能容量,锂离子电池成为便携消费设备供电的主流。不过,安全考虑也迫使制造商将电池芯封装在一个电池块内,其中一般包含了保险、监控电路、电量计、SMBus(系统管理总线)接口,以及授权电路。工业标准的18650电池芯与AA电池尺寸相同,但即使设备采用的是单电池芯,也要求将电池芯封装为包含安全电路和保险的电池块。

除了化学特性和技术特性以外,还必须选择一家有稳定供应链的锂离子电池芯供应商,以保证电池块和电池芯的稳定货源。由于各种原因(包括近些年的批量召回、工厂倒闭以及材料短缺),锂离子芯的获得越来越困难。这些问题再结合日益增高的运输成本,不利的汇率,消费电子、电动工具、汽车对锂离子电池越来越多的需求,以及电池芯上涨的价格,你就会明白为什么必须把稳定的供应链作为选择电池供应商的优先标准。

在20世纪90年代初期,索尼公司成为第一家制造锂离子电池芯的厂家,并与松下一起保持着最大电池芯供应商的地位。成本敏感的中小批量产品可以去买商店现售的电池块,它们来自中国的成千家中小型供应商。不过在选择电池块时不要过于考虑价格:尝试在入厂检查时作质量测试几乎没有成本效益,而电池块的现场故障是危险的源头。对于有成本意识的小批量应用,商店的现售电池块是一种可行的途径,但不要将价格作为决定性因素。大批量应用经常可以确定一个定制电池块的开发成本。另外,需要高质量和大功率的中小批量应用(如医疗应用)可以承受一个较高的价格,也有理由定制一个电池块。

你可以与电池芯供应商或电池块设计工作室合作开发一种定制的电池块。当与电池块供应商合作时有一个有价值的交流工具,即一组功率曲线,它表示在不同工作模式下(包括温度极限),应用随时间的变化曲线。电动工具可能有一个放电曲线,它对应于切割或钻孔工作下的大电流脉冲。脉冲的幅度和时间会随材料的形状而变化。一台有射频收发器的设备在发射时也会有脉冲尖峰,必须为显示器和其它功能提供连续电流。向你的电池块供应商提出要求,用原型电池块证明其设计可以满足所有功率曲线的需求。

定制电池块设计与制造商MicroPowerElectronics的营销经理RobinTichy称,该公司的一些医疗应用客户要求对每块电池作测试,且测试应包括一个完整的充放电周期,以此来确信该公司正确地组装了每个电池块,并有足够的容量。有些情况下,该公司还必须为生产线开发一种专门定制的测试仪。有些客户只要求一个简单的电压测试来保证正确组装,而其它客户则只要求厂家对产品样品作测试。


如果你的电池块设计要求采用相对廉价的电量IC,它对电池块作校准并测量进出电池的电荷,统计库仑值,然后在组装后必须对每个电池块作单独充放电。这种校准增加了制造成本和电池块的总价格。Tichy建议权衡一下采用较贵电量计的得失,如德州仪器公司的ImpedanceTrack系列,它不需要初始的充放电周期。

IEEE1625标准针对用于便携计算的可充电电池,覆盖了笔记本电脑电池块的测试需求。继戴尔、惠普、苹果和其它笔记本计算机制造商召回电池块以后,IEEE在2006年末宣布它将修改IEEE1625指定的测试要求。该组织仍在修订标准,计划在2009 年公布(参考文献3)。IEEE1725是另一个标准,它面向手机和电池块的测试。另外,UL(担保人实验室)1642覆盖了锂离子电池的电子、机械与环境测试。电池供应商Boston-Power的工程副总裁RichChamberlain称,业内认为UL1642规范是最低的测试,尤其是在笔记本电脑市场,而业内大多数制造商要做更多的测试,以确保电池块的安全。

电池块的特性也可以作为差异化特性,你的客户可能为它支付更多金钱,或者该特性可能影响客户的购买决策。例如,客户可能希望花更多钱购买一个有更长运行时间,或充电时间较短的电池块。与之相似的是,最终用户的电池块总拥有成本不仅包括电池芯、电源管理电路和封装,还包括循环寿命次数:较多循环意味着更长的寿命。

锂离子电池芯不是现成商品,但可以对它们作精细调节,如改变阳极和阴极的化学构成、厚度,以及内部分隔器的成分。Chamberlain建议系统设计者要与电池芯供应商和电池块设计者交流,根据自己设计的性能需要和外形尺寸来选择电池芯,甚至定制一种电池芯。Boston-Power于2007年开始提供的最初产品是Sonata电池块,设计者可以将其用于笔记本电脑设计。Sonata面世时恰逢戴尔与索尼的电池块召回。Sonata的安全特性包括电池芯内更稳定的化学反应、专利的电流控制电路、新的热保险,以及泄压口。

Chamberlain以Sonata中的电池芯结构为例,阐述了电池块设计中的安全考虑如何补充性能需求。他说:“一个典型的笔记本电脑电池块采用一种三串两并的六芯结构。通过并联电池芯的电流会被分流,并且,由于这些电池芯的阻抗特性略有差别,电流通过这些电池芯的方式也稍有不同,因此导致了电池芯寿命的差异和安全问题。Sonata电池芯有比普通电池芯更大的格式:我们将三只电池芯串联,没有并联结构。这样似乎相对简单,但电池块中的这种变化可提供很多性能和安全方面的改进。”


电池芯定制的另一个例子是电极的厚度:通过控制厚度,可以作高能存储或大功率方面的优化。一个定制电池芯的研制时间并不需要太长:据Chamberlain称,只要六个月的研制时间,就可以修改电池芯中的一种化学成分。其它更大的变化则可能要花更多时间。不过他说:“除非你与一家电池芯供应商讨论,否则永远不知道要用多长时间。”

由于一个电池块中包含锂离子电池芯等电路,重要的是系统设计者要与电池块设计者相互合作,理解电池块中电源管理电路扮演的角色,以确保安全与性能。智能电池块可以与主机通信,报告电池的充电状态和健康状况,如寿命周期、温度、充放电电流和电压阈值,提供最高等级的安全与性能。这种电路通常是电池块电量计的一部分,这个电路还要负责笔记本电脑或手机显示屏上的电量符号。

电池块电路可以有一个电量计IC、一个模拟前端,包括过充保护和电池芯平衡,以及一个过压保护IC)。如果一个电池块的温度超过了某个预设限度(一般是50°C),则电量安全电路会通过与电池芯串联的两个充放电安全 MOSFET中的一个,暂时切断电池块的供电。一旦温度降到工作温度范围内,电路使MOSFET重新导通,电池块恢复供电。

你可能有这种经历:当手机或笔记本电脑暴露在阳光下或在一辆酷热的汽车中放得过久时,它们会关机。然后经过一段冷却后,它们又能恢复工作。不过,如果温度持续在高位,或电流总稳定在不安全范围内,则电路将使一个化学保险烧断,永久切断电池块。一旦化学保险烧断,则电池块就不可恢复,需要送还回收中心。

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