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可穿戴设备与其它小型系统为何青睐锂电池电源?

2016-12-21 [责任编辑:susan]
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【导读】为了收集所需的数据,消费者必须将可穿戴设备持续戴在身上。因此,它们必须小巧而舒适,并能长时间连续工作。智能家居传感器节点和其他物联网应用也面临相似的要求。这产生了如何为这些设备供电的问题。
 
物联网将改善现代生活的几乎各个方面。通过收集和分析大量数据,物联网可以帮助我们管理身体健康、减少在家居和工作场所的能源消耗、监测和改善我们所在的环境等等。
 
物联网的潜在应用十分广泛,但它们也有一些共同的重要特征。用于收集数据的设备需要体积小、易于使用且几乎随时可供使用。这些要求可能在可穿戴设备上最为明显,全世界有数以百万计的人已经在使用可穿戴设备来跟踪活动、监测身体指标和改善健康。
 
为了收集所需的数据,消费者必须将可穿戴设备持续戴在身上。因此,它们必须小巧而舒适,并能长时间连续工作。智能家居传感器节点和其他物联网应用也面临相似的要求。
 
这产生了如何为这些设备供电的问题。理想的情况是,它们可以直接从所处的环境中获得能量,这样它们可以始终保持有电。虽然我们已经在降低功耗和改善能量采集上取得了很大进步,但距离实现理想还有一定差距。在可预见的未来,我们还需要依靠电池作为主要电源。特别是,为了最大限度减少由数十亿设备造成的能源浪费,在未来一段时间,可充电电池应该是首选电源。
 
可穿戴设备和其他小型系统的电池充电安全
 
可穿戴设备不仅尺寸很受限制,而且由于需要长期穿戴,舒适性也很重要,因此它们还必须非常轻,所以电池就必须尽可能小。不仅如此,IDC和GMI进行的反复研究表明,电池续航时间是消费者购买电池供电式便捷产品的第一考虑因素。因此,高电池容量对产品获得成功非常重要。
 
同时满足这两个要求使得电池面临的挑战更加艰巨。幸运的是,锂电池的许多特性使它们能够克服这一挑战,从而成为可穿戴设备应用的理想选择。
 
首先,它们提供高能量密度,允许系统设计工程师选择更小更轻的电池,而且能提供更长的工作时间。同时,锂电池的工作电压通常为3.7 V,相比之下,镍氢或镍镉电池只有1.2 V。这意味着锂电池需要更少的电芯(cell),这也有助于实现更小更轻的系统。另外,它们的自放电率也远低于基于镍的电池,约为每月2%,而镍氢和镍镉电池高达每天5%。这样不仅能够减少充电次数,而且电池放置很长时间后也能随时再次使用,从而使系统更加便于客户使用。
 
当然,所有技术都有自身的缺点。例如,锂离子电池的制造比基于镍的充电电池更复杂,所以价格更贵。但作为一种大量生产的产品,规模经济和持续的技术改进正在快速降低其制造成本。
 
最近的头条新闻也显示,锂离子电池具有更大的潜在安全风险。由于使用易燃电解质,所以如果充电电压过高或过低都有可能导致起火或爆炸。不过,大多数锂离子电池都有内部保护电路,可以在一定程度上防止过压或欠压。但锂离子电池的充电过程仍然比基于镍的充电电池复杂的多。
 
锂离子电池:实现舒适方便的可穿戴设备 
 
小电池,长续航时间,高能量密度 
更高工作电压意味着更少的电芯和更小的系统 
更慢的自放电:更少的充电次数,随时可供使用
 
充电挑战
 
为避免这些安全问题,锂离子电池需要恒流(CC)、恒压(CV)的充电过程。在此过程中,电池首先以固定电流充电,直至达到设定电压。然后,充电电路切换到恒压模式,从而提供必要的电流,以维持设定电压。
 
为了获得最佳充电效果,必须对电流和电压水平的选择做出精心的权衡。以较高电压充电可以增加电池容量,但电压过高会造成电池受压或过充,导致永久损害、不稳定性和危险。同样,较高充电电流可以加快充电速度,但代价是减少电池容量:充电电流降低30%可以使电池储存的电荷量增加10%之多。
 
因此,充电电流通常设置为电池容量(电池能持续供电一小时的最大电流)的一半,电压设置为每个电芯4.2 V。不过事实证明,使用略小的充电电流及电压可减缓电池老化,使其能够以更高的蓄电量度过更多的充电循环。
 
确保安全
 
由于这一复杂性,充电解决方案必须能够密切监测充电电流和电压,并提供稳定的控制回路,使充电电流和电压在充电循环的合适时点保持合适的值(亦即使电流在第一阶段保持恒定,电压在第二阶段保持恒定)。
 
另外还需要按照严格的标准对充电解决方案进行全面的测试。这些标准包含的测试条件比镍基充电电池所需的更广泛,同时还包括与电池本身相关的测试。
 
JEITA规范
 
日本电子信息技术产业协会(JETIA)制定了关于锂离子电池使用和充电的规范。虽然该规范只是指导性规范,而非认证机构的严格标准,但业内普遍认为该规范有助于确保锂离子电池的安全使用。
 
如图1所示,JEITA规范定义了最低温度(T1)、最高温度(T4)和位于二者之间的三个温度区(低、中、高),以确保充电安全。
 
图1:为保证锂离子电池充电安全,JEITA规范规定的温度区
 
规范规定了每个温度区的最大安全电流。
 
高温度区:最大电流为电池容量的50% 
标准温度区:最大电流为电池容的70% 
低温度区:最大电流为电池容量的60%
图2显示了这些安全电流和对应的安全电压区。
 
图2:JEITA规范规定的锂离子电池安全充电电流和电压
 
安全、方便和可靠的可穿戴设备
 
可穿戴设备市场现在增长迅猛,并将在未来几年继续保持增长。系统功耗和能量采集潜力方面都已取得一定进展。但我们离可穿戴设备从其所在环境中获取能量进行充电的目标还有很长的距离。因此,可穿戴设备和其他功能丰富的物联网应用仍然需要使用充电电池。
 
锂离子电池体积小、重量轻、容量大,可帮助系统设计工程师满足尺寸限制,同时提供使消费者满意的长电池续航时间。其较高工作电压意味着需要的电芯更少,从而可以进一步减小系统尺寸和提高设计灵活性。
 
但这些电池需要更复杂的充电解决方案来确保安全和高效的充电。
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本文链接:http://www.cntronics.com/power-art/80031908
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