可穿戴設備為何青睞鋰電池電源?
2016年12月22日 8:55 2284次瀏覽 來源: 物聯(lián)中國 分類: 鋰
物聯(lián)網(wǎng)將改善現(xiàn)代生活的幾乎各個方面。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所的能源消耗、監(jiān)測和改善我們所在的環(huán)境等等。
物聯(lián)網(wǎng)的潛在應用十分廣泛,但它們也有一些共同的重要特征。用于收集數(shù)據(jù)的設備需要體積小、易于使用且?guī)缀蹼S時可供使用。這些要求可能在可穿戴設備上最為明顯,全世界有數(shù)以百萬計的人已經(jīng)在使用可穿戴設備來跟蹤活動、監(jiān)測身體指標和改善健康。
為了收集所需的數(shù)據(jù),消費者必須將可穿戴設備持續(xù)戴在身上。因此,它們必須小巧而舒適,并能長時間連續(xù)工作。智能家居傳感器節(jié)點和其他物聯(lián)網(wǎng)應用也面臨相似的要求。
這產(chǎn)生了如何為這些設備供電的問題。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步,但距離實現(xiàn)理想還有一定差距。在可預見的未來,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)十億設備造成的能源浪費,在未來一段時間,可充電電池應該是首選電源。
可穿戴設備和其他小型系統(tǒng)的電池充電安全
可穿戴設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進行的反復研究表明,電池續(xù)航時間是消費者購買電池供電式便捷產(chǎn)品的第一考慮因素。因此,高電池容量對產(chǎn)品獲得成功非常重要。
同時滿足這兩個要求使得電池面臨的挑戰(zhàn)更加艱巨。幸運的是,鋰電池的許多特性使它們能夠克服這一挑戰(zhàn),從而成為可穿戴設備應用的理想選擇。
首先,它們提供高能量密度,允許系統(tǒng)設計工程師選擇更小更輕的電池,而且能提供更長的工作時間。同時,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),這也有助于實現(xiàn)更小更輕的系統(tǒng)。另外,它們的自放電率也遠低于基于鎳的電池,約為每月2%,而鎳氫和鎳鎘電池高達每天5%。這樣不僅能夠減少充電次數(shù),而且電池放置很長時間后也能隨時再次使用,從而使系統(tǒng)更加便于客戶使用。
當然,所有技術都有自身的缺點。例如,鋰離子電池的制造比基于鎳的充電電池更復雜,所以價格更貴。但作為一種大量生產(chǎn)的產(chǎn)品,規(guī)模經(jīng)濟和持續(xù)的技術改進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險。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致起火或爆炸。不過,大多數(shù)鋰離子電池都有內(nèi)部保護電路,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雜的多。
鋰離子電池:實現(xiàn)舒適方便的可穿戴設備
小電池,長續(xù)航時間,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,直至達到設定電壓。然后,充電電路切換到恒壓模式,從而提供必要的電流,以維持設定電壓。
為了獲得最佳充電效果,必須對電流和電壓水平的選擇做出精心的權衡。以較高電壓充電可以增加電池容量,但電壓過高會造成電池受壓或過充,導致永久損害、不穩(wěn)定性和危險。同樣,較高充電電流可以加快充電速度,但代價是減少電池容量:充電電流降低30%可以使電池儲存的電荷量增加10%之多。
因此,充電電流通常設置為電池容量(電池能持續(xù)供電一小時的最大電流)的一半,電壓設置為每個電芯4.2 V。不過事實證明,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
由于這一復雜性,充電解決方案必須能夠密切監(jiān)測充電電流和電壓,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)的合適時點保持合適的值(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)。
另外還需要按照嚴格的標準對充電解決方案進行全面的測試。這些標準包含的測試條件比鎳基充電電池所需的更廣泛,同時還包括與電池本身相關的測試。
JEITA規(guī)范
日本電子信息技術產(chǎn)業(yè)協(xié)會(JETIA)制定了關于鋰離子電池使用和充電的規(guī)范。雖然該規(guī)范只是指導性規(guī)范,而非認證機構的嚴格標準,但業(yè)內(nèi)普遍認為該規(guī)范有助于確保鋰離子電池的安全使用。
規(guī)范規(guī)定了每個溫度區(qū)的最大安全電流。
高溫度區(qū):最大電流為電池容量的50%
標準溫度區(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%
可穿戴設備市場現(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展。但我們離可穿戴設備從其所在環(huán)境中獲取能量進行充電的目標還有很長的距離。因此,可穿戴設備和其他功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)應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)設計工程師滿足尺寸限制,同時提供使消費者滿意的長電池續(xù)航時間。其較高工作電壓意味著需要的電芯更少,從而可以進一步減小系統(tǒng)尺寸和提高設計靈活性。
責任編輯:淮金
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