面向便攜電源的鋰離子電池要注意問題
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(shè)計、構(gòu)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(shè)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(yīng)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(shè)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(quán)電路。工業(yè)標準的18650電池芯與AA電池尺寸相同，但即使設(shè)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(shù)特性以外，還必須選擇一家有穩(wěn)定供應(yīng)鏈的鋰離子電池芯供應(yīng)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(jié)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(yīng)鏈作為選擇電池供應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用（如醫(yī)療應(yīng)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(yīng)商或電池塊設(shè)計工作室合作開發(fā)一種定制的電池塊。當與電池塊供應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)商提出要求，用原型電池塊證明其設(shè)計可以滿足所有功率曲線的需求。
定制電池塊設(shè)計與制造商MicroPowerElectronics的營銷經(jīng)理RobinTichy稱，該公司的一些醫(yī)療應(yīng)用客戶要求對每塊電池作測試，且測試應(yīng)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(shè)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(quán)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（參考文獻2）。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(yīng)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(gòu)成、厚度，以及內(nèi)部分隔器的成分。Chamberlain建議系統(tǒng)設(shè)計者要與電池芯供應(yīng)商和電池塊設(shè)計者交流，根據(jù)自己設(shè)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(shè)計者可以將其用于筆記本電腦設(shè)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(yīng)、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(jié)構(gòu)為例，闡述了電池塊設(shè)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。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。”
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(yīng)商討論，否則永遠不知道要用多長時間?！?
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(shè)計者要與電池塊設(shè)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的一部分，這個電路還要負責筆記本電腦或手機顯示屏上的電量符號。
電池塊電路可以有一個電量計IC、一個模擬前端，包括過充保護和電池芯平衡，以及一個過壓保護IC）。如果一個電池塊的溫度超過了某個預(yù)設(shè)限度（一般是50°C），則電量安全電路會通過與電池芯串聯(lián)的兩個充放電安全MOSFET中的一個，暫時切斷電池塊的供電。一旦溫度降到工作溫度范圍內(nèi)，電路使MOSFET重新導通，電池塊恢復供電。
你可能有這種經(jīng)歷：當手機或筆記本電腦暴露在陽光下或在一輛酷熱的汽車中放得過久時，它們會關(guān)機。然后經(jīng)過一段冷卻后，它們又能恢復工作。不過，如果溫度持續(xù)在高位，或電流總穩(wěn)定在不安全范圍內(nèi)，則電路將使一個化學保險燒斷，永久切斷電池塊。一旦化學保險燒斷，則電池塊就不可恢復，需要送還回收中心。
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