解讀鋰離子電池監(jiān)控電路和保護(hù)電路
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-18 12:01
點(diǎn)擊量：次
很多電池供電系統(tǒng)都需要一個(gè)可視指示器，用于指示何時(shí)需要更換電池。一般用LED做這種指示燈，但它們至少要消耗 10mA的電流。這個(gè)不小的電流會(huì)加速電池的放電，縮短電池的可用壽命。下圖使用了一種采樣數(shù)據(jù)技術(shù)降低了監(jiān)控電路的平均功耗。該電路的待機(jī)電流為 5μA，在指示低電壓時(shí)耗電為30μA。
在控制器有效的80μs導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，控制器的VPP輸出切換為VCC，而在關(guān)斷期間則切換為高阻。一個(gè)快速安定基準(zhǔn)設(shè)定了觸發(fā)點(diǎn)。R2必須足夠小，以為 LT1009提供所需最小電流。R3、R4和R5對(duì)電池電壓做分壓，并送入一個(gè)比較器的輸入端。電阻提供了5.5V的下觸發(fā)點(diǎn)和5.95V的上觸發(fā)點(diǎn)。內(nèi)部比較器有低電流偏置點(diǎn)，從而能夠?yàn)榉謮浩魇褂么笞柚惦娮?。R5設(shè)定了比較器的遲滯。比較器驅(qū)動(dòng)一個(gè)內(nèi)部RS觸發(fā)器，當(dāng) VINSETPOINT+DELTA時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位（ON/OFF=ground）。
鋰離子電池監(jiān)控器除了有保護(hù)電路外（可保護(hù)電池在充電、放電過程免于過充電、過放電和過熱），并且能輸出電池剩余能量信號(hào)（用LCD顯示器可形象地顯示出電池剩余能量），使用者能隨時(shí)了解電池的剩余能量狀態(tài)，以便及時(shí)充電或更換電池。它主要用于有μC或μP的便攜式電子產(chǎn)品中，如手機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)、醫(yī)療儀器或音、視頻裝置等。
這里以DS2760為例說明該器件的特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路。該器件有溫度傳感器，能檢測(cè)雙向電流的電流檢測(cè)器及電池電壓檢測(cè)器，并有12位ADC將模擬量轉(zhuǎn)模成數(shù)字量；有多種存儲(chǔ)器，能實(shí)現(xiàn)電池剩余能量的計(jì)算。它是將數(shù)據(jù)采集、信息計(jì)算與存儲(chǔ)及安全保護(hù)于一身。另外，它具有外圍元件少、電路簡(jiǎn)單、器件封裝尺寸?。?.25mm×2.75mm管芯式BGA封裝）的特點(diǎn)。
盡管格雷聲稱最近取得了突破，但由于上述問題，研究團(tuán)體的注意力主要轉(zhuǎn)向了鋰-硫電池。它為鋰離子提供了更便宜、更強(qiáng)大的替代品，但科學(xué)家們始終在努力阻止其在陰極上形成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復(fù)充電而溶解。索尼聲稱已經(jīng)解決了這一問題，并希望到2020年將含有鋰-硫電池的消費(fèi)類電子產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
在曼徹斯特大學(xué)，材料學(xué)家劉旭清(Xuqing Liu)是那些試圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維材料結(jié)合起來，以便擴(kuò)大表面積，從而增加鋰原子的數(shù)量。劉旭清把它比作增加一本書的頁數(shù)。這所大學(xué)還投資建造干燥的實(shí)驗(yàn)室，這將使其研究人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測(cè)試不同的電極和電解質(zhì)的組合。
令人難以置信的是，即使古德諾夫本人也在研究這個(gè)問題。去年，94歲的他發(fā)表了一篇論文，描述了一種容量是現(xiàn)有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質(zhì)疑。一位研究人員說:“如果是古德諾夫之外的其他人發(fā)表了這篇文章，我可能就要罵娘。”
但是，盡管有成千上萬的論文發(fā)表，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費(fèi)電子產(chǎn)品的基本化學(xué)功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費(fèi)性電子產(chǎn)品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺(tái)便攜式攝像機(jī)一樣。
因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學(xué)反應(yīng)。他對(duì)尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認(rèn)為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經(jīng)有六七年了，它現(xiàn)在基本上是用在電池的熱力學(xué)容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學(xué)院材料學(xué)教授格萊布·尤辛（Gleb Yushin）共同創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies。他們?cè)诎⒗走_(dá)的灣區(qū)辦公室有開放式布局，以雅達(dá)利游戲命名的會(huì)議室，還有充滿熔爐和燃?xì)夤艿赖墓I(yè)實(shí)驗(yàn)室。
在調(diào)查了所有可能的解決方案之后，三人從理論上確定硅是最有前途的材料。他們只需要讓技術(shù)發(fā)揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失敗告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對(duì)他們的成功表示樂觀。一個(gè)硅原子可以附著4個(gè)鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個(gè)硅陽極可以儲(chǔ)存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研究院對(duì)硅陽極材料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風(fēng)投機(jī)構(gòu)支持的初創(chuàng)企業(yè)也是如此。
當(dāng)鋰離子在電池充電時(shí)附著在陽極上時(shí)，它會(huì)輕微膨脹，然后在使用時(shí)再次收縮。在重復(fù)的充電循環(huán)中，這種膨脹和收縮破壞了固態(tài)電解質(zhì)界面層，后者是一種保護(hù)物質(zhì)，在陽極表面形成斑塊。這種損害會(huì)產(chǎn)生副作用，消耗電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”
隨著時(shí)間的推移，這是智能手機(jī)開始快速損失儲(chǔ)能的主要原因。石墨陽極膨脹和收縮約7%，因此在性能開始急劇下滑之前，它可以完成大約1000個(gè)充放周期。這相當(dāng)于一部智能手機(jī)持續(xù)兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們?cè)诔潆姇r(shí)膨脹的幅度要大得多（高達(dá)400%）。大多數(shù)硅陽極經(jīng)過幾次充電循環(huán)后會(huì)發(fā)生斷裂。在實(shí)驗(yàn)室的5年多時(shí)間里，Sila Nanotechnologies創(chuàng)造了一種納米復(fù)合材料來解決膨脹問題。
伯迪切夫斯基解釋說，如果石墨陽極是個(gè)“公寓區(qū)”，那么所有的“房間”都是一樣大小，而且都緊緊地?cái)D在一起。經(jīng)過3萬次迭代（不同的柱子和房間組合），他們形成了陽極，那里每層都有足夠的空間讓硅原子在獲取鋰時(shí)膨脹。他說：“我們把多余的空間困在建筑內(nèi)部。”這就解決了膨脹問題，同時(shí)保持陽極的外部尺寸和形狀穩(wěn)定。
伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies將向制造商提供的第一代材料，將使能源密度提高20%，并最終提高40%，同時(shí)也能提高安全性。他說：“硅能讓你遠(yuǎn)離邊緣，你可以空出1%或2%的空間，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接轉(zhuǎn)換成現(xiàn)有的設(shè)計(jì)。隨著亞洲的電池生產(chǎn)商爭(zhēng)相增加工廠產(chǎn)能，為電動(dòng)汽車時(shí)代到來做準(zhǔn)備，伯迪切夫斯基認(rèn)為，任何與當(dāng)前生產(chǎn)工藝不兼容的產(chǎn)品都可能被排除在外。他說：“如果現(xiàn)在還不存在可以替代鋰離子的技術(shù)，到上市的時(shí)候，它將迎來無數(shù)的用戶群。”
當(dāng)電池充滿電并放電時(shí)，鋰離子在兩個(gè)電極之間舞動(dòng)，有時(shí)它們很難返回。相反，尤其是當(dāng)電池充電太快時(shí)，它們會(huì)在電極的外面聚集，逐漸形成樹枝狀的分支，就像洞穴頂部的鐘乳石。最終，這些看起來像窗玻璃上結(jié)了霜的樹突，可以通過電解質(zhì)一路延伸，穿透隔膜，并通過觸碰對(duì)面的電極產(chǎn)生短路。
隨著各層之間的距離越來越近，這種風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加，出錯(cuò)的可能性也會(huì)隨之增加。正如三星去年發(fā)現(xiàn)的那樣，出錯(cuò)可能會(huì)造成損害，代價(jià)相當(dāng)高昂。微小的制造缺陷曾導(dǎo)致Galaxy Note 7手機(jī)電池內(nèi)部短路。在某些設(shè)備上，陽極和陰極最終彼此接觸，這起災(zāi)難性的召回事件估計(jì)導(dǎo)致三星損失了34億歐元。Ionic Materials公司的齊默爾曼解釋道：“當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電池會(huì)變得非常熱，液體電解質(zhì)會(huì)發(fā)生熱逃逸，最終引發(fā)火災(zāi)和爆炸。”
因?yàn)檫@種情況非常危險(xiǎn)，實(shí)際上鋰離子電池中沒有那么多鋰，僅為百分之二左右。但如果有一種方法可以安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子里釋放出來，就像惠廷漢姆在20世紀(jì)70年代嘗試的那樣，可能會(huì)帶來增加十倍的能量密度。這被稱為電池研究的“圣杯”，齊默爾曼可能發(fā)現(xiàn)了它。
他認(rèn)為電解質(zhì)實(shí)際上是增加電池能量密度的最大障礙。人們已經(jīng)逐漸不再使用浸在液體電解質(zhì)中的物質(zhì)，而是使用凝膠和聚合物，但它們通常仍然是易燃的，而且對(duì)阻止快速的熱逃逸過程毫無幫助。齊默爾曼自己承認(rèn)，他不是一個(gè)“電池控”。他主修的專業(yè)是材料科學(xué)，尤其是聚合物，他在貝爾實(shí)驗(yàn)室和塔夫茨大學(xué)任教了14年，之后才開始創(chuàng)業(yè)。
21世紀(jì)初，齊默爾曼開始對(duì)可充電電池產(chǎn)生興趣。當(dāng)時(shí)，有些人在努力從液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)向固態(tài)電解質(zhì)。資深儲(chǔ)能科學(xué)家唐納德·海格特（Donald Highgate）解釋說：“原則上，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)電池更安全，你可以讓它更努力工作。同樣的應(yīng)用程序，你可以使用更小的電池。”但它們大多是陶瓷或玻璃制品，因此很脆，很難大規(guī)模生產(chǎn)。”
塑料已經(jīng)在電池中被用于隔離器，即位于電解質(zhì)中間以阻止電極接觸的部分。齊默爾曼認(rèn)為，如果他能找到合適的材料，他就可以拋棄液體電解質(zhì)和分離器，取而代之的是一層固體塑料，這層塑料是可以防火的，而且還可以防止在兩層之間生長(zhǎng)樹突。通過Ionic Materials，齊默爾曼用一種全新的傳導(dǎo)機(jī)制創(chuàng)造了一種聚合物，它模仿了電子穿過金屬的方式。這是第一個(gè)能在室溫下導(dǎo)電鋰離子的固態(tài)聚合物。材料是靈活的，低成本的，經(jīng)得起各種各樣的考驗(yàn)。
在一次實(shí)驗(yàn)中，他們把原材料送到了彈道學(xué)實(shí)驗(yàn)室，那里通常被用來測(cè)試防彈背心，并用9mm的子彈來射擊它。兩根電線將電池（扁平的銀袋子）連接到三星平板電腦上，后者的電源被小心移除。子彈擊中后，電池就像火山一樣炸開了。在慢鏡頭里，可以看到塑料和金屬從火山口噴出，就像熔巖。但電池內(nèi)部沒有爆發(fā)，沒有爆炸或起火。每次碰撞，設(shè)備都保持開啟狀態(tài)。齊默爾曼說:“我們一直認(rèn)為聚合物會(huì)使它更安全，我們從來沒有指望電池還能繼續(xù)工作。”
據(jù)齊默爾曼說，這種聚合物將推動(dòng)鋰金屬的發(fā)展，并加速采用新的電池化學(xué)物質(zhì)，如鋰-硫或鋰-空氣。但長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來可能不只是鋰。曼徹斯特大學(xué)的研究員劉旭清表示:“這種改進(jìn)不能與設(shè)備性能的改進(jìn)速度相匹配，我們需要一場(chǎng)革命。”
在牛津郡龐大的哈韋爾科學(xué)與創(chuàng)新園區(qū)，也就是約翰·古德諾夫(John Goodenough)簽署協(xié)議宣布放棄他在鋰離子領(lǐng)域取得重大突破專利的地方，史蒂芬·沃勒（Stephen Voller）舉著一塊與飲料杯大小和形狀相似的碳纖維。沃勒是一位和藹可親的曼城球迷，年近50歲。在加盟首個(gè)瀏覽器品牌網(wǎng)景（Netscape）公司之前，他曾在IBM擔(dān)任軟件工程師。在公司被AOL收購后，沃勒對(duì)筆記本電腦電池續(xù)航時(shí)間的限制越來越感到失望，于是決定采取些措施。
沃勒的第一個(gè)想法是使用氫燃料電池來延長(zhǎng)電池巡航時(shí)間，但它的波動(dòng)性證明是便攜式電子產(chǎn)品無法克服的挑戰(zhàn)。他說:“讓氫氣通過機(jī)場(chǎng)安檢是相當(dāng)困難的。”然后，通過牛津大學(xué)的熟人，沃勒聽說了一些令人興奮的研究，包括性能更像超級(jí)電容器的極快充電材料。當(dāng)電池以化學(xué)方式儲(chǔ)存能量時(shí)，超級(jí)電容器卻可將其置于電場(chǎng)中，就像氣球上的靜電收集一樣。
超級(jí)電容器的問題在于，它們不能像電池一樣儲(chǔ)存那么多的能量，而且電量會(huì)很快泄露出去。如果你不經(jīng)常使用，鋰離子電池的放電可持續(xù)2周，而超級(jí)電容器只能保持?jǐn)?shù)小時(shí)。許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，將超級(jí)電容器與電池結(jié)合起來，可能對(duì)智能手機(jī)和其他耗電的消費(fèi)科技產(chǎn)品有利。海格特表示，超級(jí)電容器可以被用來制造一、兩分鐘內(nèi)就能充滿電的混合手機(jī)，而且還可以作為備用的鋰離子電池。他說:“如果你可以非?？焖俚某潆姡憧梢园阉旁诟袘?yīng)圈上，在你攪拌咖啡的時(shí)候充電。”
沃勒認(rèn)為，他可以做得更好。2013年，他創(chuàng)立了ZapGo，該公司正在開發(fā)碳基電池，其充電速度與超級(jí)電容器一樣快，但充電時(shí)間與鋰離子電池差不多。到2017年11月，該公司的員工已增至22人，分別在哈韋爾的盧瑟福德阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室和北卡羅來納州夏洛特的辦公室工作。它的第一個(gè)消費(fèi)電池將被用在今年年底推出的第三方產(chǎn)品上，包括用于汽車的助推起動(dòng)裝置，以及充電時(shí)間從8小時(shí)縮短至5分鐘的電動(dòng)滑板車。
沃勒手里拿著的那塊碳纖維是一塊電池，使用了固態(tài)電解質(zhì)，不會(huì)著火。兩個(gè)電極是由薄層鋁制成的，上面覆蓋著納米結(jié)構(gòu)的碳，用來增加表面積。沃勒說：“你希望它看起來像喜馬拉雅山。”盡管在顯微鏡下，它更像是城市天際線的輪廓。ZapGo技術(shù)的關(guān)鍵在于提高效率和減少漏電量，主要是通過確保電解液無縫地與上面的碳天際線相吻合，就像尼龍搭扣一樣。
碳基電池的最大優(yōu)勢(shì)是長(zhǎng)壽。因?yàn)閆apGo的電池存儲(chǔ)更像氣球，而不是傳統(tǒng)的電池。正如沃勒所說“沒有化學(xué)反應(yīng)”，他聲稱新電池可以持續(xù)10萬個(gè)放電周期，這是鋰離子電池的100倍。即使每天給手機(jī)充電，也可以使用30年。目前的第三代ZapGo電池還沒有強(qiáng)大到可以運(yùn)行智能手機(jī)的地步，但由于使用的材料沒有提供增加電壓的障礙，沃勒預(yù)計(jì)這種電池將在2022年，也就是“iPhone 15前后”投入應(yīng)用。
