可穿戴設(shè)備和其他小型系統(tǒng)的電池充電安全

作者/Kanji Kerai Dialog公司

　　引言

　　物聯(lián)網(wǎng)將改善現(xiàn)代生活的幾乎各個(gè)方面。通過(guò)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(chǎng)所的能源消耗、監(jiān)測(cè)和改善我們所在的環(huán)境等。

　　物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)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(shè)備需要體積小、易于使用且?guī)缀蹼S時(shí)可供使用。這些要求可能在可穿戴設(shè)備上最為明顯，全世界有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人已經(jīng)在使用可穿戴設(shè)備來(lái)跟蹤活動(dòng)、監(jiān)測(cè)身體指標(biāo)和改善健康。

　　為了收集所需的數(shù)據(jù)，消費(fèi)者必須將可穿戴設(shè)備持續(xù)戴在身上。因此，它們必須小巧而舒適，并能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。智能家居傳感器節(jié)點(diǎn)和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也面臨相似的要求。

　　這產(chǎn)生了如何為這些設(shè)備供電的問(wèn)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(jìn)步，但距離實(shí)現(xiàn)理想還有一定差距。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，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(shè)備造成的能源浪費(fèi)，在未來(lái)一段時(shí)間，可充電電池應(yīng)該是首選電源。

　　1可穿戴設(shè)備的自然選擇

　　可穿戴設(shè)備不僅尺寸很受限制，而且由于需要長(zhǎng)期穿戴，舒適性很重要，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(jìn)行的反復(fù)研究表明，電池續(xù)航時(shí)間是消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)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(duì)產(chǎn)品獲得成功非常重要。

　　同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求使得電池面臨的挑戰(zhàn)更加艱巨。幸運(yùn)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(shè)備應(yīng)用的理想選擇。

　　首先，它們提供高能量密度，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師選擇更小更輕的電池，而且能提供更長(zhǎng)的工作時(shí)間。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)更小更輕的系統(tǒng)。另外，它們的自放電率也遠(yuǎn)低于基于鎳的電池，約為每月2%，而鎳氫和鎳鎘電池高達(dá)每天5%。這樣不僅能夠減少充電次數(shù)，而且電池放置很長(zhǎng)時(shí)間后也能隨時(shí)再次使用，從而使系統(tǒng)更加便于客戶(hù)使用。

　　當(dāng)然，所有技術(shù)都有自身的缺點(diǎn)。例如，鋰離子電池的制造比基于鎳的充電電池更復(fù)雜，所以?xún)r(jià)格更貴。但作為一種大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，規(guī)模經(jīng)濟(jì)和持續(xù)的技術(shù)改進(jìn)正在快速降低其制造成本。

　　鋰離子電池的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯。由于使用易燃電解質(zhì)，所以如果充電電壓過(guò)高或過(guò)低都有可能導(dǎo)致起火或爆炸。不過(guò)，大多數(shù)鋰離子電池都有內(nèi)部保護(hù)電路，可以在一定程度上防止過(guò)壓或欠壓。但鋰離子電池的充電過(guò)程仍然比基于鎳的充電電池復(fù)雜的多。

　　鋰離子電池：實(shí)現(xiàn)舒適方便的可穿戴設(shè)備優(yōu)勢(shì)有：

　　· 小電池，長(zhǎng)續(xù)航時(shí)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(shí)可供使用。

　　2充電挑戰(zhàn)

　　為避免這些安全問(wèn)題，鋰離子電池需要恒流(CC)、恒壓(CV)的充電過(guò)程。在此過(guò)程中，電池首先以固定電流充電，直至達(dá)到設(shè)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(shè)定電壓。

　　為了獲得最佳充電效果，必須對(duì)電流和電壓水平的選擇做出精心的權(quán)衡。以較高電壓充電可以增加電池容量，但電壓過(guò)高會(huì)造成電池受壓或過(guò)充，導(dǎo)致永久損害、不穩(wěn)定性和危險(xiǎn)。同樣，較高充電電流可以加快充電速度，但代價(jià)是減少電池容量：充電電流降低30%可以使電池儲(chǔ)存的電荷量增加10%之多。

　　因此，充電電流通常設(shè)置為電池容量(電池能持續(xù)供電一小時(shí)的最大電流)的一半，電壓設(shè)置為每個(gè)電芯4.2 V。不過(guò)事實(shí)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(guò)更多的充電循環(huán)。

　　3確保安全

　　由于這一復(fù)雜性，充電解決方案必須能夠密切監(jiān)測(cè)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(shí)點(diǎn)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(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)充電解決方案進(jìn)行全面的測(cè)試。這些標(biāo)準(zhǔn)包含的測(cè)試條件比鎳基充電電池所需的更廣泛，同時(shí)還包括與電池本身相關(guān)的測(cè)試。

　　4JEITA規(guī)范

　　日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(JETIA)制定了關(guān)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(dǎo)性規(guī)范，而非認(rèn)證機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為該規(guī)范有助于確保鋰離子電池的安全使用。

　　如圖1所示，JEITA規(guī)范定義了最低溫度(T1)、最高溫度(T4)和位于二者之間的三個(gè)溫度區(qū)(低、中、高)，以確保充電安全。

　　圖1 為保證鋰離子電池充電安全，JEITA規(guī)范規(guī)定的溫度區(qū)

　　規(guī)范規(guī)定了每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)溫度區(qū)：最大電流為電池容量的70%

　　· 低溫度區(qū)：最大電流為電池容量的60%

　　圖2顯示了這些安全電流和對(duì)應(yīng)的安全電壓區(qū)。

　　圖2 JEITA規(guī)范規(guī)定的鋰離子電池安全充電電流和電壓

　　使用DA1468x產(chǎn)品系列保證充電安全

　　可穿戴設(shè)備和許多其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸和重量非常受限制。為幫助確保電池充電安全，同時(shí)符合尺寸和重量要求，Dialog的SmartBond? DA1468x系列SoC(系統(tǒng)級(jí)芯片)集成了電源管理功能，再加上一些外部元件和連接的輔助，可完全滿(mǎn)足JEITA規(guī)范的要求。

　　該功能的核心是一種靈活的CC/CV充電算法。該算法支持200 μA - 400 mA充電電流，可以對(duì)具有不同容量的電池充電。圖3顯示了如何將DA1468x SoC連接至電池來(lái)進(jìn)行充電。

　　圖3 采用DA14680或DA14681的鋰離子電池充電電路示例

　　該算法有四個(gè)不同的充電階段：預(yù)充、恒流、恒壓和電壓監(jiān)控。

　　充電周期

　　充電過(guò)程在檢測(cè)到輸入電壓后立即開(kāi)始。如果電池電量嚴(yán)重?fù)p耗(例如電壓已低于3V)，則充電算法會(huì)觸發(fā)預(yù)充階段，以低電流(約為電池容量的10%)為電池“預(yù)充電”，直至電池可以接受滿(mǎn)充電電流。這可以防止出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。

　　在電壓達(dá)到合適水平后，充電算法切換至恒流階段，以較高電流(可達(dá)到電池的容量)為電池充電，直至電壓達(dá)到4.2 V(標(biāo)準(zhǔn)值)。這時(shí)充電器進(jìn)入恒壓階段，以避免過(guò)充危險(xiǎn)。在此階段，電壓保持在4.2 V，而電流降低至電池容量的10%左右。從恒流階段過(guò)渡到恒壓階段是逐漸而且平滑地完成的，以免電池受損。

　　到這時(shí)電池已經(jīng)充滿(mǎn)。如果充滿(mǎn)后電池仍然處于連接狀態(tài)，則充電器進(jìn)入電壓監(jiān)控階段，從而提供周期性的續(xù)充，以彌補(bǔ)由于電池自放電而產(chǎn)生的電量消耗。續(xù)充通常在電池開(kāi)路電壓降至4.0 V以下時(shí)進(jìn)行。

　　圖4 Dialog DA14680和DA14681的充電周期

　　在這個(gè)基礎(chǔ)循環(huán)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)σ幌盗袇?shù)進(jìn)行調(diào)整，以定制充電過(guò)程。這些參數(shù)包括：

　　· 預(yù)充電流(應(yīng)設(shè)為10%[1]–亦即1mA - 15mA)

　　· 預(yù)充電壓Vpcv(應(yīng)設(shè)為3.05V)

　　· 預(yù)充定時(shí)器(默認(rèn)值= 15分鐘)

　　· 恒定充電電流Icc(應(yīng)設(shè)為70%1)

　　· 充電電壓Vfloat(范圍4.2 – 4.6V)

　　· 恒流(CC)定時(shí)器(默認(rèn)值 = 180分鐘)

　　· 恒壓(CV)定時(shí)器(默認(rèn)值 = 360分鐘)

　　內(nèi)置保護(hù)功能

　　為幫助確保安全，DA14680和DA14681提供了一系列內(nèi)置保護(hù)功能，以防止由非標(biāo)準(zhǔn)充電條件造成的問(wèn)題，包括：

　　· 欠壓放電

　　· 過(guò)壓充電

　　· 過(guò)流充電

　　· 預(yù)充、恒流和恒壓階段超時(shí)

　　· 電池溫度低和高(帶有外部NTC和連接)

　　我們強(qiáng)烈建議電池提供針對(duì)過(guò)壓充電、欠壓放電和過(guò)流充(放)電的內(nèi)置保護(hù)功能，此外，電池還必須有內(nèi)置負(fù)溫度系數(shù)(NTC)傳感器，該傳感器應(yīng)當(dāng)連接至DA14680或DA14681的NTC引腳。該引腳還應(yīng)當(dāng)連接至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入(如ADC5)。

　　安全、方便和可靠的可穿戴設(shè)備

　　可穿戴設(shè)備市場(chǎng)現(xiàn)在增長(zhǎng)迅猛，并將在未來(lái)幾年繼續(xù)保持增長(zhǎng)。系統(tǒng)功耗和能量采集潛力方面都已取得一定進(jìn)展。但我們離可穿戴設(shè)備從其所在環(huán)境中獲取能量進(jìn)行充電的目標(biāo)還有很長(zhǎng)的距離。因此，可穿戴設(shè)備和其他功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shè)計(jì)工程師滿(mǎn)足尺寸限制，同時(shí)提供使消費(fèi)者滿(mǎn)意的長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。其較高工作電壓意味著需要的電芯更少，從而可以進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸和提高設(shè)計(jì)靈活性。

　　但這些電池需要更復(fù)雜的充電解決方案來(lái)確保安全和高效的充電。Dialog的DA1468x系列產(chǎn)品提供集成的電池管理功能，包括符合JEITA規(guī)范的充電算法和內(nèi)置保護(hù)功能。在單個(gè)芯片上提供所有這些功能可幫助進(jìn)一步減小系統(tǒng)尺寸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性的最大化，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)工程師因此能夠更快地設(shè)計(jì)出功耗豐富、舒適和外觀漂亮的可穿戴設(shè)備。