鋰離子電池管理芯片的應(yīng)用與開發(fā)

 

1.1.1鋰離子電池的特點(diǎn)及應(yīng)用

 

1912年開始對鋰電池的研究，這種電池使用鋰作為電極，而非可充電鋰電池的首次商業(yè)應(yīng)用直到20世紀(jì)70年代才開始。20世紀(jì)80年代，研究的重點(diǎn)是可充電的鋰離子電池，但未能解決安全問題。直到1991年，索尼才第一次實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的商業(yè)化，這被認(rèn)為是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。

 

如表1.1所示，與其他二次電池如鎳鎘電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度(包括質(zhì)量比能和體積比能)、更高的充放電周期、更低的放電速率和更高的單塊電池工作電壓(3.6v)。顯然，鋰離子電池的高工作電壓將有助于減小移動設(shè)備的尺寸，高能量密度將有助于使電池更輕，低放電率將確保在存儲期間的正常使用。

 

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十多年來，鋰離子電池的應(yīng)用得到了很大的發(fā)展，現(xiàn)已成為通信電子產(chǎn)品的主要能源之一，廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、GSM/CDMA、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、PDA等高端便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品[2]。如果說1997年之前適應(yīng)筆記本市場，降低電池成本，增加容量被稱為鋰離子電池的第一個(gè)黃金時(shí)代，那么手機(jī)、相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品的普及將使鋰離子電池行業(yè)進(jìn)入第二個(gè)黃金時(shí)代。以2004年為例，94%的手機(jī)電池是鋰離子電池。隨著技術(shù)的發(fā)展，對鋰離子電池的需求將會越來越大，2005年預(yù)計(jì)將達(dá)到12億桶。從鋰離子電池的生產(chǎn)和銷售情況來看，2000年以前，日本是世界上最大的鋰離子電池生產(chǎn)國和銷售國，占有95%以上的市場份額。但近年來中國和韓國的迅速崛起已經(jīng)顛覆了日本的單打獨(dú)斗，預(yù)計(jì)到2005年，日本在全球市場的份額將跌至50%以下。

 

1.1.2鋰離子電池管理芯片的重要性

 

在鋰離子電池的研究與開發(fā)中，提高鋰離子電池的使用安全性一直是研究的重點(diǎn)。由于質(zhì)量比能量高，電解液多為有機(jī)可燃物，當(dāng)電池產(chǎn)熱速度大于散熱速度時(shí)，可能存在安全問題。研究表明，鋰離子電池在被誤用時(shí)，其溫度可以達(dá)到700℃以上，從而導(dǎo)致煙、火甚至爆炸。當(dāng)過放電小于1V時(shí)，正極表面會析出銅，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。在過流的情況下，電池內(nèi)部溫度也容易升高，使電池性能惡化甚至損壞。圖1.1.1展示了鋰離子電池在過充和過放電條件下的化學(xué)反應(yīng)和性能變化。式中，M表示Co、Al、Ni等金屬離子。

 

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為了提高鋰離子電池的安全性，除了深入的機(jī)理研究、選擇合適的電極材料和優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)外，還需要通過電池外部的集成電路(IC)對電池進(jìn)行有效的管理。報(bào)告稱，電池管理芯片，包括銷售和電源管理芯片，預(yù)計(jì)將在近年來增長最快。鋰離子電池管理目標(biāo)包括電池電壓監(jiān)測、充放電電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲。在管理芯片中，保護(hù)電路、燃料檢測電路和傳輸電池?cái)?shù)據(jù)的系統(tǒng)稱為智能電池系統(tǒng)(SBS)。SBS電池結(jié)構(gòu)如圖1.1.2所示。它由溫度傳感器、可檢測雙向電流的電流檢測器、ADC、EEPROM存儲器、時(shí)鐘、狀態(tài)/控制電路、與主系統(tǒng)的單線接口和地址以及鋰離子電池的保護(hù)電路組成。ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲在相應(yīng)的存儲器中，通過單線接口連接到主系統(tǒng)，對內(nèi)部存儲器進(jìn)行訪問和控制。除了有效的電池保護(hù)，SBS還可以輸出剩余的電池能量信號(可用于LCD顯示)，這將是鋰離子電池管理芯片發(fā)展的主要目標(biāo)。目前，SBS應(yīng)用程序已經(jīng)發(fā)展為SBdata1.1(數(shù)據(jù)協(xié)議)和SMbus2.0(總線協(xié)議)，而IBM等膝上型計(jì)算機(jī)中有幾個(gè)模型