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可穿戴設備為何青睞鋰電池電源?
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物聯網將改善現代生活的幾乎各個方面。通過收集和分析大量資料,物聯網可以説明我們管理身體健康、減少在家居和工作場所的能源消耗、監測和改善我們所在的環境等等。

物聯網的潛在應用十分廣泛,但它們也有一些共同的重要特徵。用於收集資料的設備需要體積小、易於使用且幾乎隨時可供使用。這些要求可能在可穿戴設備上最為明顯,全世界有數以百萬計的人已經在使用可穿戴設備來跟蹤活動、監測身體指標和改善健康。

為了收集所需的資料,消費者必須將可穿戴設備持續戴在身上。因此,它們必須小巧而舒適,並能長時間連續工作。智慧家居感測器節點和其他物聯網應用也面臨相似的要求。

這產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境中獲得能量,這樣它們可以始終保持有電。雖然我們已經在降低功耗和改善能量採集上取得了很大進步,但距離實現理想還有一定差距。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的電池充電安全

可穿戴設備不僅尺寸很受限制,而且由於需要長期穿戴,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,電池續航時間是消費者購買電池供電式便捷產品的第一考慮因素。因此,高電池容量對產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,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3.7V,相比之下,鎳氫或鎳鎘電池只有1.2V。這意味著鋰電池需要更少的電芯(cell),這也有助於實現更小更輕的系統。另外,它們的自放電率也遠低於基於鎳的電池,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,而且電池放置很長時間後也能隨時再次使用,從而使系統更加便於客戶使用。

當然,所有技術都有自身的缺點。例如,鋰離子電池的製造比基於鎳的充電電池更複雜,所以價格更貴。但作為一種大量生產的產品,規模經濟和持續的技術改進正在快速降低其製造成本。

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。由於使用易燃電解質,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,大多數鋰離子電池都有內部保護電路,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於鎳的充電電池複雜的多。

鋰離子電池:實現舒適方便的可穿戴設備

小電池,長續航時間,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

更慢的自放電:更少的充電次數,隨時可供使用

充電挑戰

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。然後,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準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(電池能持續供電一小時的最大電流)的一半,電壓設置為每個電芯4.2V。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迴圈。

確保安全

由於這一複雜性,充電解決方案必須能夠密切監測充電電流和電壓,並提供穩定的控制回路,使充電電流和電壓在充電迴圈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規範

日本電子資訊技術產業協會(JETIA)制定了關於鋰離子電池使用和充電的規範。雖然該規範只是指導性規範,而非認證機構的嚴格標準,但業內普遍認為該規範有助於確保鋰離子電池的安全使用。

如圖1所示,JEITA規範定義了最低溫度(T1)、最高溫度(T4)和位於二者之間的三個溫度區(低、中、高),以確保充電安全。

規範規定了每個溫度區的最大安全電流。

高溫度區:最大電流為電池容量的50%

標準溫度區:最大電流為電池容的70%

低溫度區:最大電流為電池容量的60%

安全、方便和可靠的可穿戴設備

可穿戴設備市場現在增長迅猛,並將在未來幾年繼續保持增長。系統功耗和能量採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網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,可説明系統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尺寸和提高設計靈活性。

但這些電池需要更複雜的充電解決方案來確保安全和高效的充電。

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