cookieOptions = {...}; .可穿戴設備與其它小型系統,為何青睞鋰電池電源? - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

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2016年12月28日 星期三

Kirigami-based stretchable lithium-ion batteries for Wearables




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來源: 物联网智库


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數據,物聯網可以幫助我們<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。用於收集數據的設備需要體積小、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。

為了收集所需的數據,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。智慧家庭傳感器節點,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進行的反覆研究表明,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3.7 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),這也有助於實現更小更輕的系統。

另外,它們的自放電率也遠低於鎳電池,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,鋰離子電池需要恆流(CC)、恆壓(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,充電電路切換到恆壓模式,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平的選擇,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4.2 V。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,度過更多的充電循環。

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,並提供穩定的控制迴路,使充電電流和電壓在充電循環的合適時點,保持合適的值(亦即使電流在第一階段保持恆定,電壓在第二階段保持恆定)。

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)制訂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。

为什么可穿戴设备和其他小型系统格外青睐锂电池?
圖1:為保證鋰離子電池充電安全,JEITA規範規定的溫度區

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%

圖2顯示了這些安全電流和對應的安全電壓區。

为什么可穿戴设备和其他小型系统格外青睐锂电池?
圖2:JEITA規範規定的鋰離子電池安全充電電流和電壓

安全、方便和可靠的可穿戴設備
可穿戴設備市場現在成長迅猛,並將在未來幾年繼續保持成長。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,可幫助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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