可穿戴設(shè)備與其它小型系統(tǒng)為何青睞鋰電池電源？

為了收集所需的數(shù)據(jù)，消費(fèi)者必須將可穿戴設(shè)備持續(xù)戴在身上。因此，它們必須小巧而舒適，并能長時(shí)間連續(xù)工作。智能家居傳感器節(jié)點(diǎn)和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也面臨相似的要求。這產(chǎn)生了如何為這些設(shè)備供電的問題。

物聯(lián)網(wǎng)將改善現(xiàn)代生活的幾乎各個(gè)方面。通過收集和分析大量數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)可以幫助我們管理身體健康、減少在家居和工作場(chǎng)所的能源消耗、監(jiān)測(cè)和改善我們所在的環(huán)境等等。

物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)用十分廣泛，但它們也有一些共同的重要特征。用于收集數(shù)據(jù)的設(shè)備需要體積小、易于使用且?guī)缀蹼S時(shí)可供使用。這些要求可能在可穿戴設(shè)備上最為明顯，全世界有數(shù)以百萬計(jì)的人已經(jīng)在使用可穿戴設(shè)備來跟蹤活動(dòng)、監(jiān)測(cè)身體指標(biāo)和改善健康。

為了收集所需的數(shù)據(jù)，消費(fèi)者必須將可穿戴設(shè)備持續(xù)戴在身上。因此，它們必須小巧而舒適，并能長時(shí)間連續(xù)工作。智能家居傳感器節(jié)點(diǎn)和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也面臨相似的要求。

這產(chǎn)生了如何為這些設(shè)備供電的問題。理想的情況是，它們可以直接從所處的環(huán)境中獲得能量，這樣它們可以始終保持有電。雖然我們已經(jīng)在降低功耗和改善能量采集上取得了很大進(jìn)步，但距離實(shí)現(xiàn)理想還有一定差距。在可預(yù)見的未來，我們還需要依靠電池作為主要電源。特別是，為了最大限度減少由數(shù)十億設(shè)備造成的能源浪費(fèi)，在未來一段時(shí)間，可充電電池應(yīng)該是首選電源。

可穿戴設(shè)備和其他小型系統(tǒng)的電池充電安全

可穿戴設(shè)備不僅尺寸很受限制，而且由于需要長期穿戴，舒適性也很重要，因此它們還必須非常輕，所以電池就必須盡可能小。不僅如此，IDC和GMI進(jìn)行的反復(fù)研究表明，電池續(xù)航時(shí)間是消費(fèi)者購買電池供電式便捷產(chǎn)品的第一考慮因素。因此，高電池容量對(duì)產(chǎn)品獲得成功非常重要。

同時(shí)滿足這兩個(gè)要求使得電池面臨的挑戰(zhàn)更加艱巨。幸運(yùn)的是，鋰電池的許多特性使它們能夠克服這一挑戰(zhàn)，從而成為可穿戴設(shè)備應(yīng)用的理想選擇。

首先，它們提供高能量密度，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師選擇更小更輕的電池，而且能提供更長的工作時(shí)間。同時(shí)，鋰電池的工作電壓通常為3.7 V，相比之下，鎳氫或鎳鎘電池只有1.2 V。這意味著鋰電池需要更少的電芯（cell），這也有助于實(shí)現(xiàn)更小更輕的系統(tǒng)。另外，它們的自放電率也遠(yuǎn)低于基于鎳的電池，約為每月2%，而鎳氫和鎳鎘電池高達(dá)每天5%。這樣不僅能夠減少充電次數(shù)，而且電池放置很長時(shí)間后也能隨時(shí)再次使用，從而使系統(tǒng)更加便于客戶使用。

當(dāng)然，所有技術(shù)都有自身的缺點(diǎn)。例如，鋰離子電池的制造比基于鎳的充電電池更復(fù)雜，所以價(jià)格更貴。但作為一種大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，規(guī)模經(jīng)濟(jì)和持續(xù)的技術(shù)改進(jìn)正在快速降低其制造成本。

最近的頭條新聞也顯示，鋰離子電池具有更大的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。由于使用易燃電解質(zhì)，所以如果充電電壓過高或過低都有可能導(dǎo)致起火或爆炸。不過，大多數(shù)鋰離子電池都有內(nèi)部保護(hù)電路，可以在一定程度上防止過壓或欠壓。但鋰離子電池的充電過程仍然比基于鎳的充電電池復(fù)雜的多。

鋰離子電池：實(shí)現(xiàn)舒適方便的可穿戴設(shè)備 

小電池，長續(xù)航時(shí)間，高能量密度 

更高工作電壓意味著更少的電芯和更小的系統(tǒng) 

更慢的自放電：更少的充電次數(shù)，隨時(shí)可供使用

充電挑戰(zhàn)

為避免這些安全問題，鋰離子電池需要恒流（CC）、恒壓（CV）的充電過程。在此過程中，電池首先以固定電流充電，直至達(dá)到設(shè)定電壓。然后，充電電路切換到恒壓模式，從而提供必要的電流，以維持設(shè)定電壓。

為了獲得最佳充電效果，必須對(duì)電流和電壓水平的選擇做出精心的權(quán)衡。以較高電壓充電可以增加電池容量，但電壓過高會(huì)造成電池受壓或過充，導(dǎo)致永久損害、不穩(wěn)定性和危險(xiǎn)。同樣，較高充電電流可以加快充電速度，但代價(jià)是減少電池容量：充電電流降低30%可以使電池儲(chǔ)存的電荷量增加10%之多。

因此，充電電流通常設(shè)置為電池容量（電池能持續(xù)供電一小時(shí)的最大電流）的一半，電壓設(shè)置為每個(gè)電芯4.2 V。不過事實(shí)證明，使用略小的充電電流及電壓可減緩電池老化，使其能夠以更高的蓄電量度過更多的充電循環(huán)。

確保安全

由于這一復(fù)雜性，充電解決方案必須能夠密切監(jiān)測(cè)充電電流和電壓，并提供穩(wěn)定的控制回路，使充電電流和電壓在充電循環(huán)的合適時(shí)點(diǎn)保持合適的值（亦即使電流在第一階段保持恒定，電壓在第二階段保持恒定）

另外還需要按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)充電解決方案進(jìn)行全面的測(cè)試。這些標(biāo)準(zhǔn)包含的測(cè)試條件比鎳基充電電池所需的更廣泛，同時(shí)還包括與電池本身相關(guān)的測(cè)試。

JEITA規(guī)范

日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（JETIA）制定了關(guān)于鋰離子電池使用和充電的規(guī)范。雖然該規(guī)范只是指導(dǎo)性規(guī)范，而非認(rèn)證機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為該規(guī)范有助于確保鋰離子電池的安全使用。

如圖1所示，JEITA規(guī)范定義了最低溫度（T1）、最高溫度（T4）和位于二者之間的三個(gè)溫度區(qū)（低、中、高），以確保充電安全。

 

圖1：為保證鋰離子電池充電安全，JEITA規(guī)范規(guī)定的溫度區(qū)
 

規(guī)范規(guī)定了每個(gè)溫度區(qū)的最大安全電流。

高溫度區(qū)：最大電流為電池容量的50% 

標(biāo)準(zhǔn)溫度區(qū)：最大電流為電池容的70% 

低溫度區(qū)：最大電流為電池容量的60%

圖2顯示了這些安全電流和對(duì)應(yīng)的安全電壓區(qū)。

 

圖2：JEITA規(guī)范規(guī)定的鋰離子電池安全充電電流和電壓

 

安全、方便和可靠的可穿戴設(shè)備

可穿戴設(shè)備市場(chǎng)現(xiàn)在增長迅猛，并將在未來幾年繼續(xù)保持增長。系統(tǒng)功耗和能量采集潛力方面都已取得一定進(jìn)展。但我們離可穿戴設(shè)備從其所在環(huán)境中獲取能量進(jìn)行充電的目標(biāo)還有很長的距離。因此，可穿戴設(shè)備和其他功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仍然需要使用充電電池。

鋰離子電池體積小、重量輕、容量大，可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師滿足尺寸限制，同時(shí)提供使消費(fèi)者滿意的長電池續(xù)航時(shí)間。其較高工作電壓意味著需要的電芯更少，從而可以進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸和提高設(shè)計(jì)靈活性。

但這些電池需要更復(fù)雜的充電解決方案來確保安全和高效的充電。