最近,我終于有時間清理扔在我辦公室柜子后角的一些舊盒子,它們大多屬于早已被遺忘的舊筆記本和圖紙,但我發(fā)現了一件很有意思的東西,我決定留下作為歷史紀念。這是我至少從 1993 年保存到現在的第一本鋰離子電池規(guī)范說明書傳真件。
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那時候,我的工作是為便攜式計算機開發(fā)電池組和充電系統(tǒng)。鋰離子技術當時只是作為高端便攜式產品的“未來潮流”初露鋒芒。我們知道它價格昂貴,沒有真正在意。順便提一件我覺得非常有意思的事,在去年超級本產品上市前,一般的筆記本電腦所使用的電池尺寸、重量及典型三小時電池使用壽命與我們 20 年前的設計相差無幾。
作為一名多年為便攜式產品設計電源系統(tǒng)的設計人員,我已經認識到對“我們這種人”看似魅力無窮的新技術往往不為最終用戶所看重。解決方案的技術細節(jié)及高級程度讓我們深感振奮,但對從未看到過設備內部的人來說,他們的觀點可能就會大相徑庭。
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“傳統(tǒng)”鋰離子(鈷)18650 電池性能加州 1993 額定性能為 1300mAH,最大放電速率不超過 1C。如今與之具有同等尺寸的“能源電池”擁有其大約兩倍的容量和速率性能。
我還記得1991 年第一次向新聞記者展示新產品(首款采用 80486 處理器的便攜式計算機)的時候,我感覺非常氣餒,因為對他來說,最值得興奮的特性是有橡膠腳的可拆卸鍵盤。而任何與內部電路有關的問題他卻絲毫未曾問及。不過理所當然的是,如果任何這種看不見的電路性能低下或者完全處于故障狀態(tài),肯定會引起某人的注意??磥韺?a target="_blank">電源設計人員而言,最理想的情況就是從來沒有人注意到自己的工作。我們中的許多人可能會感到自己默默無聞,但這可能不是什么壞事。
隨著可移植特性進入越來越多的產品,電源和電池管理設計理所當然至關重要,即便這不被最終用戶認可。他們所關注的是各種缺陷。能想到的典型例子有:“我的膝上型電腦太熱,沒法真正放在膝上使用”,或是“我必須一天為我的手機電池充電兩次”。這有點像一所房屋的地基,如果它堅實、建造良好,沒有人會想起它。但如果每次下雨您的地下室都進水,那么就真的遇到難題了。
所以,讓我們回到我剛開始提及的“古老”電池技術。雖然電池在過去 20 年里的發(fā)展速度沒有半導體技術那么快,但也有顯著變化和發(fā)展。特別是在過去五到七年里,在經濟和技術性能需求的雙重推動下,用于特殊應用和新興應用的各種備選化學類型實現了商業(yè)化。目前有多家廠商提供各種尺寸、功率額定值和化學類型的電池。事實上,選擇非常豐富,現在許多系統(tǒng)設計人員甚至都不知到從哪里入手了。
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典型的陽極及陰極材料均用于鋰離子電池。上表中所有的電池都視為“鋰離子”,但其工作電壓范圍可能會如表所示,變化幅度非常大。此外,它們還將具有不同的容量、充電循環(huán)使用壽命以及充/放電速率性能(表中未顯示)。
雖然我們可能會認為相關電池的基本決定是“我應該使用鋰離子電池還是其它電池”,但只要快速瀏覽上表就會知道,不是所有鋰離子都是一樣的。如果回到 93 年,決定就非常簡單了,但現在這些技術之間已經存在著某些顯著的差異。
比如說最終產品是某種類型的便攜式設備,無論是智能手機、計算機、媒體播放器、電動工具還是某種類型的專用醫(yī)療儀器,都可以放心大膽地說每年的新型號與上一代產品相比,都有某種程度的增強性能(更快的處理器、更好的顯示效果、更大的存儲器容量、功能更強大的電機等)。但是,鑒于這些產品可能都有外部配件,特別是電池組和充電器/適配器,對于可能已經購買大量配件的客戶而言,保持向后兼容性是他們保持品牌忠誠度的強大動力。因此,常見的情況是基礎性電源系統(tǒng)架構(系統(tǒng)電壓軌、外部充電器電壓和/或電池組尺寸或類型)可能跨越多代產品而保持不變。
現在,大多數電池制造商都在其電池設計中提供高能源及高速率選項,部分還提供高溫選項。雖然電池往往是以其性能參數而非化學成分來描述的,但由于制造商可能不希望將其秘密配方言之過詳,所以熟悉各種化學門類基本術語對系統(tǒng)設計工程師而言非常有用。原始配方 LiCoO2 通常簡稱鈷技術,雖然主要出于成本原因,這種技術正在隨時間推移而退出市場,但其使用仍然相當普遍。LiFePO4(簡稱磷酸鹽)和現有鋰—鎳—錳—鈷 (NMC) 等替代性化學物質已經針對需要更高速率的各種應用進行了優(yōu)化,但也可以作為折衷方案,針對能量(容量)進行優(yōu)化。
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