你知道還需要哪些特性來確保對(duì)電池進(jìn)行安全及精確的充電嗎?
電池充電解決方案事實(shí)上,所有3G手機(jī)都采用鋰離子電池作為主電源。由于散熱及空間的限制,設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)考慮選用何種類型的電池充電器,以及還需要哪些特性來確保對(duì)電池進(jìn)行安全及精確的充電。
線性鋰離子電池充電器的一個(gè)明顯趨勢(shì)是封裝尺寸繼續(xù)減小。但值得關(guān)注的是在充電周期(尤其在高電流階段)冷卻IC所需的板空間或通風(fēng)條件。充電器的功耗會(huì)使IC的接合部溫度上升。加上環(huán)境溫度,它會(huì)達(dá)到足夠高的水平,使IC過熱并降低電路可靠性。此外,如果過熱,許多充電器會(huì)停止充電周期,只有當(dāng)接合部溫度下降后才恢復(fù)工作。如果這種高溫持續(xù)存在,那么 充電器“停止和開始”的反復(fù)循環(huán)也將繼續(xù)發(fā)生,從而延長(zhǎng)充電時(shí)間。為減少這些風(fēng)險(xiǎn),用戶只能選擇減小充電電流來延長(zhǎng)充電時(shí)間或增大板面積來散熱。因此,由于增加了PCB散熱面積及熱保護(hù)材料,整個(gè)系統(tǒng)成本也將上升。
對(duì)此問題有兩種解決方案。首先,需要一種智能的線性鋰離子電池充電器,它不必為擔(dān)心散熱而犧牲PCB面積,并采用一種小型的熱增強(qiáng)封裝,允許它監(jiān)視自己的接合部溫度以防止過熱。如果達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度閾值,充電器能自動(dòng)減少充電電流以限制功耗,從而使芯片溫度保持在安全水平。第二種解決方案是使用一種即使充電電流很高時(shí)也幾乎不發(fā)熱的充電器。這要求使用脈沖充電器,它是一種完全不同于線性充電器的技術(shù)。脈沖充電器依靠經(jīng)過良好調(diào)節(jié)且電流受限的墻上適配器來充電。
方案一 : LTC4059A線性電池充電器LTC4059A是一款用于單節(jié)鋰離子電池的線性充電器,它無需使用三個(gè)分立功率器件,可快速充電而不用擔(dān)心系統(tǒng)過熱。監(jiān)視器負(fù)責(zé)報(bào)告充電電流值,并指示充電器是何時(shí)與輸入電源連接的。它采用盡可能小的封裝但沒有犧牲散熱性能。整個(gè)方案僅需兩個(gè)分立器件(輸入電容器和一個(gè)充電電流編程電阻),占位面積為2.5mm×2.7mm。 LTC4059A采用2mm×2mm DFN封裝,占位面積只有SOT-23封裝的一半,并能提供大約60℃/W的低熱阻,以提高散熱效率。通過適當(dāng)?shù)腜CB布局及散熱設(shè)計(jì),LTC4059A可以在輸入電壓為5V的情況下以最高900mA的電流對(duì)單節(jié)鋰離子電池安全充電。此外,設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮最壞情況下的功耗,因?yàn)長(zhǎng)TC4059A采用了專利的熱管理技術(shù),可以在高功率條件(如環(huán)境溫度過高)下自動(dòng)減小充電電流。
方案二 :帶過流保護(hù)功能的LTC4052脈沖充電器LTC4052是一款全集成的脈沖充電器,用于單節(jié)4.2V鋰離子/鋰聚合物電池。當(dāng)輸入電壓為5.25V并以0.8A電流進(jìn)行快速充電時(shí),LTC4052的功耗大約為280mW,而線性充電器解決方案的功耗則高達(dá)1.8W。與采用電感來獲得高效率和低散熱的開關(guān)充電器不同,LTC4052采用無電感設(shè)計(jì)。利用LTC4052設(shè)計(jì)的700mA至2A鋰離子/鋰聚合物電池充電器電路僅占70mm2 的面積 ,且高度低于1.7mm。通過將功耗減至最低水平,LTC4052可放寬終端設(shè)備對(duì)熱設(shè)計(jì)的要求,允許采用更小的封裝、更小的散熱氣流以及更小的PCB面積,而且能消除熱點(diǎn),從而無需使用散熱片或風(fēng)扇。
LTC4052需要一個(gè)電流受限的墻上適配器,以控制充電電流的大小。它還需配備過流保護(hù)電路,以便在意外使用較高電流或墻上適配器發(fā)生故障時(shí)能提供保護(hù)。LTC4052是一款全集成的脈沖充電器,無需使用外部MOSFET或阻流二極管 。這款獨(dú)立的充電器IC具有C/10檢測(cè)、充電狀態(tài)指示、充電結(jié)束定時(shí)器、墻上適配器檢測(cè)及過流保護(hù)等功能。LTC4052的輸入電源可以是4.5V到12V,并具有1%的 飄移電壓精度。對(duì)于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車來說,其核心技術(shù)在于電池,與其他類型的電池比較,動(dòng)力鋰離子電池雖然具有價(jià)格高、安全性能差的缺點(diǎn),但其具有比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)等重要優(yōu)點(diǎn),因此具有更廣闊的發(fā)展前景。動(dòng)力鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展也日新月異,從容量及結(jié)構(gòu)上都有所改進(jìn),有關(guān)專家表示,無論電池廠商采用哪種技術(shù)路線,都應(yīng)滿足使用安全性高、環(huán)境溫差范圍廣、充放電功能性強(qiáng)、倍率放電使用性好等條件。
電池容量大小涉及技術(shù)和成本鋰離子電池按體積大小可分為小電池和大電池兩種,小電池通常應(yīng)用于3C電子產(chǎn)品,相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展得十分成熟,總體利潤(rùn)呈降低趨勢(shì)。目前的鋰離子電池產(chǎn)品,85%以上是小電池。
大電池又俗稱動(dòng)力電池,同樣有小型動(dòng)力電池和大型動(dòng)力電池兩種,前者主要用于電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車等,后者用于電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域。目前,純電動(dòng)(EV)、可插電式混合動(dòng)力(PHEV)、混合動(dòng)力(HEV)3種類型的動(dòng)力汽車正處在快速發(fā)展時(shí)期,備受行業(yè)關(guān)注。作為未來汽車產(chǎn)業(yè)的核心,動(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了空前關(guān)注,已被各主要國(guó)家上升到了戰(zhàn)略高度。深圳市吉陽(yáng)自動(dòng)化科技有限公司總裁陽(yáng)如坤介紹說,小電池?zé)o論是在產(chǎn)品利潤(rùn)還是發(fā)展規(guī)模上都無法與大電池相比,雖然目前動(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模還很小,但電動(dòng)汽車的量產(chǎn)為動(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)帶來了重要的發(fā)展機(jī)會(huì)。據(jù)行業(yè)權(quán)威機(jī)構(gòu)的測(cè)算,近幾年,動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)將超過全球手機(jī)鋰離子電池市場(chǎng)的規(guī)模,這種改變將引發(fā)相關(guān)制造設(shè)備和廠房新一輪的投資熱,同時(shí),新進(jìn)入動(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的各大廠商將使相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈。
目前,究竟采用單體大容量電池技術(shù)方案還是采用小容量電池并聯(lián)技術(shù)方案,一直是業(yè)內(nèi)爭(zhēng)論的問題,而到底采用哪種技術(shù)路線,關(guān)鍵看電池組的結(jié)果,要看是否在體積、重量、產(chǎn)品質(zhì)量、性能、價(jià)格、安裝的方便性等方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。
陽(yáng)如坤表示,在PHEV、HEV和EV上使用單體大容量電池與小容量并聯(lián)電池是有很大區(qū)別的,采用單體大容量電池存在裝配成本低,但制造直通率低,電池成本高,不利于散熱管理等不足;小容量并聯(lián)的電池組單體直通率高,成本低,安全性能好,但它們之間有太多連接,需要很好地解決集成裝配費(fèi)用問題。所以要發(fā)揮蓄電池的最佳性能,需要考慮制造效率、自動(dòng)化、包裝、電、熱、安全、監(jiān)測(cè)和控制以及與車輛其他部分的接口等諸多問題,不同情況下使用哪種技術(shù)必須根據(jù)具體應(yīng)用權(quán)衡分析,至于哪種類型會(huì)大行其道還得看今后整個(gè)電池材料、電池設(shè)計(jì)及電池制造技術(shù)的發(fā)展而定。
中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)王金良表示,電池組采用大容量單體電池還是小容量電池并聯(lián),這不僅涉及技術(shù)問題,也涉及成本問題。他認(rèn)為,采用大容量單體電池串聯(lián)更合理些,也更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前有些企業(yè)采用上(數(shù))萬只“18650”小電池并串聯(lián)的方法制成動(dòng)力電池組,主要基于小電池技術(shù)較成熟,已在筆記本電腦等產(chǎn)品上獲得較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用考驗(yàn),電池一致性好,加上還沒有成熟的大電池生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等方面考慮。從數(shù)理概率分析,上(數(shù))萬只電池混聯(lián),存在產(chǎn)品缺陷和工藝缺陷的幾率將大幅度增加,另外小電池要用更多的零配件,如外殼、連接件、單體電池保護(hù)(平衡)元器件等,成本會(huì)大幅度增加,技術(shù)上即使可行,最終也會(huì)被市場(chǎng)淘汰。
電池結(jié)構(gòu)要綜合考慮除了容量大小外,目前在動(dòng)力鋰離子電池中,采用的結(jié)構(gòu)也不盡相同:高功率型的采用卷繞結(jié)構(gòu)比較多,高能量型的采用疊片結(jié)構(gòu)比較多。“作為動(dòng)力電池,我還是比較傾向于疊片技術(shù),卷繞的熱失控很難控制,并且散熱是問題。”陽(yáng)如坤表示。
他認(rèn)為,從有利于制造的角度講目前有3種動(dòng)力電池的技術(shù)路線正在逐步走向成熟,它們有共同的特點(diǎn),如配件及設(shè)備成熟、相對(duì)生產(chǎn)量比較大、生產(chǎn)的廠家比較多。這3種路線是:一是卷繞圓柱電池,如動(dòng)力型的18、26、32及42系列;二是卷繞的方形動(dòng)力電池,表現(xiàn)為內(nèi)部多電芯組合,形成大容量(50安時(shí)左右);三是疊片電池,相對(duì)來講疊片可以做更大容量的電池。“縱觀全球動(dòng)力鋰離子電池的發(fā)展,單體能夠在100安時(shí)以上的大規(guī)模生產(chǎn)的不多,我們認(rèn)為這不是一個(gè)單純的設(shè)計(jì)和膽量的問題,而是要綜合考慮動(dòng)力電池的化學(xué)機(jī)理、電池的熱學(xué)特性、電磁場(chǎng)特性、電池的可制造性、電池的材料及元部件供給、設(shè)備的成熟性和可靠性等方面的因素。”陽(yáng)如坤說。
同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院副教授魏學(xué)哲告訴記者,從電池規(guī)格來說主要分方形疊片和圓柱形,針對(duì)新能源汽車的應(yīng)用,上海恒動(dòng)汽車電池有限公司將堅(jiān)持方形疊片的技術(shù)路線,主要依據(jù)是:從單體而言,方形疊片技術(shù)可以更好地把電池內(nèi)部的熱量導(dǎo)出來,有利于溫度分布的一致性;從模塊而言,有利于將單體散熱與模塊及電池包的冷卻系統(tǒng)相結(jié)合,滿足新能源汽車長(zhǎng)循環(huán)壽命和擱置壽命的要求。方形疊片成組時(shí)可以有更好的空間利用率,空間利用率是目前新能源汽車布置上最為棘手的問題之一。
魏學(xué)哲表示,毫無疑問,目前小型圓柱形電池生產(chǎn)工藝和設(shè)備的成熟度要高于大型方形疊片電池,也就是說,從動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈來看,做小型圓柱形電池,是把困難留給了電池模塊集成、電池包集成和車載應(yīng)用。而上海恒動(dòng)汽車電池有限公司不打算回避這個(gè)問題,將以方形疊片電池設(shè)計(jì)和制造為突破口,以模塊集成和電池包設(shè)計(jì)為基本應(yīng)用邊界,結(jié)合電池管理技術(shù),以明確干凈的接口解決產(chǎn)業(yè)鏈上的基本技術(shù)問題。












