升級到鋰離子電池的電源管理系統(tǒng)分析

由于便攜電子系統(tǒng)變得越來越精巧，在選擇電池之前，需要對整個電源管理系統(tǒng)進行深入的分析。現(xiàn)在，許多制造商考慮選用鋰離子電池，因為同較老的電池技術(shù)相比，這種電池有許多優(yōu)點。

然而，我們不能通過簡單地用鋰離子電池更換較老電池技術(shù)的方式來實現(xiàn)升級。確定升級可行性的第一步是全面描述原系統(tǒng)的電池使用特性（圖1），包括：溫度范圍、放電特性、充電機制、預(yù)期的存放壽命和運輸要求。

除預(yù)期的應(yīng)用之外，還應(yīng)考慮其它方面的特性。例如，在環(huán)境溫度超常時，對于額定值相同但生產(chǎn)廠家不同的電池，性能（如負載下的電壓輸出和運行時間）可能有很大不同。存放壽命是選擇電胞（cell）化學類型的重要依據(jù)，或者說，自放電速率是我們選擇電胞化學的決定性參數(shù)。

要理解電池電源管理，我們必須清楚典型便攜系統(tǒng)電池包的主要元件（圖2）。電池電胞提供原發(fā)能源，電池包內(nèi)部的智能電子線路實現(xiàn)一些特殊的功能，如：根據(jù)電胞的殘存容量確定電池電量的“電量表（Fuel gauge）” 、保護電路（對鋰離子電池） 、監(jiān)視電池包內(nèi)部溫度的熱傳感器、指示電池包或電胞狀態(tài)的LED，以及與相關(guān)的宿主系統(tǒng)對話的串行數(shù)據(jù)通訊總線、

另外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)的封裝問題：可與宿主系統(tǒng)進行物理和電氣接口的定制塑料外殼；吸收外部沖擊及保持或散掉電池包所產(chǎn)生的熱量的絕緣材料。

為什么采用鋰離子技術(shù)？

與其它可充電化學電池相比，鋰離子電池具有許多優(yōu)點，包括能量密度更高、重量更輕、壽命更長、容量保持能力強、可承受更寬的環(huán)境溫度變化和容許更大的電流。采用串聯(lián)和并聯(lián)的方式把電胞組合起來可提供支持復(fù)合應(yīng)用所需要的電壓和容量，這是其它技術(shù)所做不到的（或因成本過高而缺乏實用價值）。鋰離子電池可提高能量密度的主要原因是電胞的電壓更高（圖3）。

另外，與其它化學電池相比，鋰離子電池對環(huán)境更友好。如果電池可靠且保護電路和充電器設(shè)計合理，現(xiàn)代鋰離子電池包可保證較高的安全性。

在消費電子產(chǎn)品（如膝上型電腦和蜂窩電話）推動下，鋰離子電池的成本由于生產(chǎn)量增大而降低。鋰離子電池的成本通常與鎳金屬氫化物（NiMH）電池相當，但鋰離子電胞的工作電壓更高（3.6對1.2V），對于同樣的電壓要求，鋰離子電池可使用更少的電胞。

由于尺寸和形狀參數(shù)比傳統(tǒng)電胞小，鋰離子電胞有更大的設(shè)計靈活性。鋰離子電胞的外形有圓柱形（傳統(tǒng)的鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池所使用的性狀）和菱柱形（扁平形，像薄薄的盒子），還有外形可定制的聚合物電胞（超薄，用軟膜封裝）。另外，由于在鋰離子化合物中不含重金屬，同密封鉛酸、鎳鎘（NiCd）或NiMH可充電技術(shù)相比，鋰離子電池更加環(huán)境“友好”。

電池壽命通常以充放電次數(shù)來衡量。在正確使用的情況下，電池壽命應(yīng)達到充電300到500次。雖然這個范圍較寬，但由于電池的用途和設(shè)計考慮不同，存在這樣的差別是正常的。當不能達到其初始或額定容量的80%時，電池的壽命終止。

鋰離子電池無需依靠在再次充電之前完全放電來延長電池的壽命（不完全放電被稱為淺放電）。另外，使用設(shè)計合理的充電器和電池控制電路，淺放電和重復(fù)充電不會破壞鋰離子電池或縮短其壽命-這與其它化學電池有很大不同。

升級到鋰離子電池

鋰離子電池包的電子線路比其它技術(shù)要復(fù)雜的多。許多“靈巧型”鋰離子電池包提供電量測定、電胞平衡和電胞保護等功能。鋰離子電池使用一種與其它化學電池不同的充電和終止充電方式，因而，并不是所有的宿主系統(tǒng)都能夠從密封鉛酸電池或鎳電池靈活地升級到鋰離子電池。

任何化學電池都不允許過充電。因而，鋰離子電池系統(tǒng)應(yīng)包含可準確檢測到充電周期結(jié)束并及時終止充電過程的電源管理電路。對于鋰離子電池，常流常壓（CCCV）關(guān)斷方法可避免過充電。在把系統(tǒng)從NiCd或NiMH電池升級到鋰離子電池時，須確保新電池無法插入到原有的充電器。

鋰離子電胞制造商承認，有些工況超出了電胞的正常工作范圍，其中包括要求長時間提供大功率（電動工具）和在過熱和過冷的環(huán)境（沙漠或靠近極地）下工作。這個特殊市場過去依靠NiCd和密封鉛酸電池，當溫度較低時，NiCd電池的表現(xiàn)比NiMH和鋰離子電池要好得多。

NiCd電池在-30°C時可達到額定容量的40%左右，而標準鋰離子電池的額定溫度不能低于-20°C。事實上，鋰離子電解液在溫度為-30°C時開始凝固?，F(xiàn)在有一些廠家提供可滿足這些需求的鋰離子電胞和電池包，其它一些廠家也在開發(fā)中。在系統(tǒng)開發(fā)之前或開發(fā)過程中，應(yīng)確認是否存在這樣的需求進而根據(jù)需求來設(shè)計電池包。

盡可能延長鋰離子電池的壽命

要使化學電池發(fā)揮其最大的潛力，應(yīng)保證在廠家建議的工作環(huán)境中使用、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計合理、存放方法正確、充電器是根據(jù)電池的工作特行而專門設(shè)計的。對大多數(shù)鋰離子電池而言，這意味著工作在0°C到60°C、空氣流通狀況良好的環(huán)境中，而且宿主設(shè)備中的其它元件不產(chǎn)生可能引起電池的電胞或電子線路過早退化的熱點。前面引用的溫度指的是電池內(nèi)部的溫度，在低溫或高溫環(huán)境下工作的電池可通過隔離材料（低溫）或電扇（高溫）進行防護，但如果長時間暴露在極限溫度下，電池可能會受到破壞。

盡管大多數(shù)電池是針對系統(tǒng)所要求的惡劣環(huán)境而設(shè)計的，但如果使用不當也可能會損壞電池并需要更換。“靈巧型”鋰離子電池常常使用復(fù)雜的電源管理系統(tǒng)來改進或優(yōu)化能量供給系統(tǒng)的整體性能。電源管理線路的基本功能是控制出入電池的能量流并避免誤用。因而，我們可以通過監(jiān)視關(guān)鍵的參數(shù)并把這些信息傳遞到系統(tǒng)中來增強使用的安全性。

在達不到原始容量的80%時應(yīng)更換電池，但由于并不是所有用戶手頭都有測量設(shè)備，難以據(jù)此進行判定。事實上，用戶可把電池重新充電的頻度作為判定的依據(jù)。

如果只在白天使用，每年通常需充電200到250次，電池的壽命為18-24個月。如果天天24小時使用且接續(xù)重新充電，建議每年更換一次。如果電池使用的頻度較低、周期性閑置或作為后備電池使用，則3到4年內(nèi)無需更換。

廢舊電池的處理受到地方法規(guī)和條例的約束，世界上不同地區(qū)的要求有很大不同。大多數(shù)地方已經(jīng)建立了一些回收廢舊電池的設(shè)施和公司，所有用戶都應(yīng)遵守這些條例和使用這些設(shè)施，而分銷商也應(yīng)對如何更好地遵守這些法規(guī)和服務(wù)提供指導(dǎo)意見。