鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計(jì)案例
1.1.1鋰離子電池的特點(diǎn)及應(yīng)用
早在1912年,以金屬鋰作為電極的鋰電池(Li Battery)的研究就開始了,到上世紀(jì)七十年代,不可充電的鋰電池才首次應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域。上世紀(jì)八十年代,研究的重點(diǎn)集中在可充電的鋰離子電池(Li-ion Battery)上,但并沒有成功解決電池的安全性問題。一直到1991年,Sony公司首次實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池商業(yè)化,被認(rèn)為是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程牌。
如表1.1所示,和Ni-Cd等其它二次電池相比,鋰離子電池具有更高的能量密度(包括質(zhì)量比能量和體積比能量)、更高的充放電循環(huán)、更低的放電率和更高的單節(jié)電池工作電壓(3.6V)。顯然,鋰離子電池的高工作電壓將有利于減小移動(dòng)裝備的尺寸,高能量密度將有利于電池的輕量化,低放電率也能保證存儲(chǔ)期間的正常使用。
這十幾年間,鋰離子電池的應(yīng)用獲得了巨大發(fā)展,現(xiàn)已成為通訊類電子產(chǎn)品的主要能源之一,被廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、GSM/CDMA、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)及PDA等高端便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品中[2]。如果將1997年以前適應(yīng)筆記本電腦市場、降低電池成本、提高容量稱為鋰離子電池第一個(gè)黃金時(shí)期,那么在手機(jī)、攝像機(jī)等便攜電子產(chǎn)品的普及將使鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入第二個(gè)黃金時(shí)期。比如,2004年94%的手機(jī)電池是鋰離子電池。隨著技術(shù)的發(fā)展,對(duì)鋰離子電池的需求將日益旺盛,2005年預(yù)計(jì)達(dá)12億只[3]。從鋰離子電池的生產(chǎn)和銷售分布來看,在2000年以前,日本是鋰離子電池的最大生產(chǎn)和銷售國,市場占有率達(dá)到95%以上。但近年來隨著中國和韓國的迅速崛起,日本一支獨(dú)秀的格局已經(jīng)被逐漸打破,預(yù)計(jì)2005年日本鋰離子電池的全球市場占有率將跌至50%以下。1.1.2鋰離子電池管理芯片的重要性
在鋰離子電池的研究開發(fā)中,提高使用安全性問題一直是研究的重點(diǎn)。由于質(zhì)量比能量高,而且電解液大多為有機(jī)易燃物等,當(dāng)電池?zé)崃慨a(chǎn)生速度大于散熱速度時(shí),就有可能出現(xiàn)安全性問題。有研究指出,鋰離子電池在濫用時(shí),有可能達(dá)到700°C以上的高溫,從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)冒煙、著火乃至爆炸;在過放電到低于1V時(shí),正極表面將析出銅,造成電池內(nèi)部短路;在過流情況下,電池內(nèi)部溫度也極易升高,使電池性能惡化乃至損壞。圖1.1.1給出了在過充電和過放電情況下,鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)及性能的變化,式中M代表Co、Al、Ni等金屬離子。
要提高鋰離子電池使用的安全性,除了進(jìn)行深入的機(jī)理研究,選擇合適的電極材料及優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)之外,還必須通過電池外圍的集成電路(IC)對(duì)電池進(jìn)行有效的管理。有報(bào)道稱近年來,電池管理(Battery Management)芯片,無論是銷售額還是銷售量在功耗管理(Power Management)芯片中有望增長得最快。鋰離子電池管理目標(biāo)包含對(duì)電池電壓監(jiān)測(cè)、充放電電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)計(jì)算以及存儲(chǔ)。管理芯片中,包括保護(hù)電路、燃料檢測(cè)電路以及能夠?qū)嵭须姵財(cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)被稱為智能電池系統(tǒng)(Smart Battery System, SBS)。SBS電池組結(jié)構(gòu)如圖1.1.2所示,它由溫度傳感器、能檢測(cè)雙向電流的電流檢測(cè)器、ADC、EEPROM存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、狀態(tài)/控制電路、與主系統(tǒng)單線接口及地址、鋰離子電池保護(hù)電路等組成。其中由ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)器內(nèi),通過單線接口與主系統(tǒng)連接,對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫的訪問及控制。SBS除了能對(duì)電池進(jìn)行有效地保護(hù)之外,還能輸出電池剩余能量信號(hào)(可用LCD顯示),這將是鋰離子電池管理芯片發(fā)展的主要目標(biāo)。目前,SBS應(yīng)用的協(xié)議發(fā)展到了SBdata1.1(數(shù)據(jù)協(xié)議)和SMbus2.0(總線協(xié)議),而在IBM和索尼等筆記本電腦中,有幾個(gè)型號(hào)已采用了基于電池保護(hù)電路的SBS.
在鋰離子電池管理芯片中,保護(hù)電路由于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池電壓、充放電電流監(jiān)測(cè),它既能單獨(dú)內(nèi)置在鋰離子電池中,也能在SBS中充當(dāng)二次保護(hù)電路用,更可貴的是,它能實(shí)現(xiàn)對(duì)Ni-Cd、Ni-H電池的同等保護(hù),所以在電池管理芯片中占了很大的份額。
1.1.3電池管理芯片的發(fā)展現(xiàn)狀
目前,國外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開展了對(duì)鋰離子電池管理芯片的研究和開發(fā)。和電池產(chǎn)量在全球市場占有率不斷下滑不同的是,日本的鋰離子電池管理芯片,尤其是保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開發(fā),始終在全球占有主導(dǎo)地位。最著名的產(chǎn)品是精工的S82系列、理光的R54系列和MITSUMI的MM3061系列等。其中,S82系列產(chǎn)品因?yàn)楣δ荦R全、精度高和功耗低,被認(rèn)為是鋰離子電池管理芯片設(shè)計(jì)的領(lǐng)跑者之一。而在中國,除了臺(tái)灣有個(gè)別單位已開發(fā)出了功能較為簡單的保護(hù)芯片外,近年來,雖然也有個(gè)別大陸單位開始研究鋰離子電池保護(hù)電路,但都處于起步階段,精度低、沒有統(tǒng)一的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。更主要的是,目前國內(nèi)還沒有具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的電路出現(xiàn)。目前,為了在最長的電池使用時(shí)間和最輕的重量之間取得平衡,越來越多的便攜式設(shè)備如手機(jī)、攝像機(jī)等都采用單節(jié)鋰離子電池作為主電源。目前單節(jié)鋰離子電池的管理芯片研究,重點(diǎn)在于:
①除了要對(duì)電池充電過程進(jìn)行有效管理外,還更迫切地需要實(shí)現(xiàn)對(duì)充電及使用過
評(píng)論