電池技術知識解析：面向便攜電源的鋰離子電池技術

一塊典型的筆記本電腦電池可以容納50W以上的能量，它的設計、構造和使用都要非常小心，確保不超過安全限度。幾乎沒有哪位電路設計工程師希望或需要成為電池專家，不過他們必須保證系統(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電池塊的規(guī)格，它需要哪些類型的測試與檢查，以及你的應用如何在工作時監(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設備供電的主流。不過，安全考慮也迫使制造商將電池芯封裝在一個電池塊內(nèi)，其中一般包含了保險、監(jiān)控電路、電量計、SMBus(系統(tǒng)管理總線)接口，以及授權電路。工業(yè)標準的18650電池芯與AA電池尺寸相同，但即使設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的電池塊。

除了化學特性和技術特性以外，還必須選擇一家有穩(wěn)定供應鏈的鋰離子電池芯供應商，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越困難。這些問題再結合日益增高的運輸成本，不利的匯率，消費電子、電動工具、汽車對鋰離子電池越來越多的需求，以及電池芯上漲的價格，你就會明白為什么必須把穩(wěn)定的供應鏈作為選擇電池供應商的優(yōu)先標準。

在20世紀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，它們來自中國的成千家中小型供應商。不過在選擇電池塊時不要過于考慮價格：嘗試在入廠檢查時作質(zhì)量測試幾乎沒有成本效益，而電池塊的現(xiàn)場故障是危險的源頭。對于有成本意識的小批量應用，商店的現(xiàn)售電池塊是一種可行的途徑，但不要將價格作為決定性因素。大批量應用經(jīng)常可以確定一個定制電池塊的開發(fā)成本。另外，需要高質(zhì)量和大功率的中小批量應用(如醫(yī)療應用)可以承受一個較高的價格，也有理由定制一個電池塊。

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

定制電池塊設計與制造商MicroPowerElectronics的營銷經(jīng)理RobinTichy稱，該公司的一些醫(yī)療應用客戶要求對每塊電池作測試，且測試應包括一個完整的充放電周期，以此來確信該公司正確地組裝了每個電池塊，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)一種專門定制的測試儀。有些客戶只要求一個簡單的電壓測試來保證正確組裝，而其它客戶則只要求廠家對產(chǎn)品樣品作測試。如果你的電池塊設計要求采用相對廉價的電量IC，它對電池塊作校準并測量進出電池的電荷，統(tǒng)計庫侖值，然后在組裝后必須對每個電池塊作單獨充放電。這種校準增加了制造成本和電池塊的總價格。Tichy建議權衡一下采用較貴電量計的得失，如德州儀器公司的ImpedanceTrack系列，它不需要初始的充放電周期。

IEEE1625標準針對用于便攜計算的可充電電池，覆蓋了筆記本電腦電池塊的測試需求。繼戴爾、惠普、蘋果和其它筆記本計算機制造商召回電池塊以后，IEEE在2006年末宣布它將修改IEEE1625指定的測試要求。該組織仍在修訂標準，計劃在2009 年公布(參考文獻3)。IEEE1725是另一個標準，它面向手機和電池塊的測試。另外，UL(擔保人實驗室)1642覆蓋了鋰離子電池的電子、機械與環(huán)境測試。電池供應商Boston-Power的工程副總裁RichChamberlain稱，業(yè)內(nèi)認為UL1642規(guī)范是最低的測試，尤其是在筆記本電腦市場，而業(yè)內(nèi)大多數(shù)制造商要做更多的測試，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買決策。例如，客戶可能希望花更多錢購買一個有更長運行時間，或充電時間較短的電池塊。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)意味著更長的壽命。

鋰離子電池芯不是現(xiàn)成商品，但可以對它們作精細調(diào)節(jié)，如改變陽極和陰極的化學構成、厚度，以及內(nèi)部分隔器的成分。Chamberlain建議系統(tǒng)設計者要與電池芯供應商和電池塊設計者交流，根據(jù)自己設計的性能需要和外形尺寸來選擇電池芯，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，設計者可以將其用于筆記本電腦設計。Sonata面世時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)定的化學反應、專利的電流控制電路、新的熱保險，以及泄壓口。

Chamberlain以Sonata中的電池芯結構為例，闡述了電池塊設計中的安全考慮如何補充性能需求。他說：“一個典型的筆記本電腦電池塊采用一種三串兩并的六芯結構。通過并聯(lián)電池芯的電流會被分流，并且，由于這些電池芯的阻抗特性略有差別，電流通過這些電池芯的方式也稍有不同，因此導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)結構。這樣似乎相對簡單，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?！?em style="text-indent: 2em; font-style: normal; ">電池芯定制的另一個例子是電極的厚度：通過控制厚度，可以作高能存儲或大功率方面的優(yōu)化。一個定制電池芯的研制時間并不需要太長：據(jù)Chamberlain稱，只要六個月的研制時間，就可以修改電池芯中的一種化學成分。其它更大的變化則可能要花更多時間。不過他說：“除非你與一家電池芯供應商討論，否則永遠不知道要用多長時間?！?/span>

由于一個電池塊中包含鋰離子電池芯等電路，重要的是系統(tǒng)設計者要與電池塊設計者相互合作，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通信，報告電池的充電狀態(tài)和健康狀況，如壽命周期、溫度、充放電電流和電壓閾值，提供最高等級的安全與性能。這種電路通常是電池塊電量計