物聯(lián)網(wǎng)將改善現(xiàn)代生活的幾乎各個方面。通過收集和分析大量數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)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(jiān)測和改善我們所在的環(huán)境等等。

 

物聯(lián)網(wǎng)的潛在應用十分廣泛，但它們也有一些共同的重要特征。用于收集數(shù)據(jù)的設(shè)備需要體積小、易于使用且?guī)缀蹼S時可供使用。這些要求可能在可穿戴設(shè)備上最為明顯，全世界有數(shù)以百萬計的人已經(jīng)在使用可穿戴設(shè)備來跟蹤活動、監(jiān)測身體指標和改善健康。

 

為了收集所需的數(shù)據(jù)，消費者必須將可穿戴設(shè)備持續(xù)戴在身上。因此，它們必須小巧而舒適，并能長時間連續(xù)工作。智能家居傳感器節(jié)點和其他物聯(lián)網(wǎng)應用也面臨相似的要求。

 

這產(chǎn)生了如何為這些設(shè)備供電的問題。理想的情況是，它們可以直接從所處的環(huán)境中獲得能量，這樣它們可以始終保持有電。雖然我們已經(jīng)在降低功耗和改善能量采集上取得了很大進步，但距離實現(xiàn)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(shù)十億設(shè)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(shè)備不僅尺寸很受限制，而且由于需要長期穿戴，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進行的反復研究表明，電池續(xù)航時間是消費者購買電池供電式便捷產(chǎn)品的第一考慮因素。因此，高電池容量對產(chǎn)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(zhàn)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(zhàn)，從而成為可穿戴設(shè)備應用的理想選擇。

 

首先，它們提供高能量密度，允許系統(tǒng)設(shè)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），這也有助于實現(xiàn)更小更輕的系統(tǒng)。另外，它們的自放電率也遠低于基于鎳的電池，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(shù)，而且電池放置很長時間后也能隨時再次使用，從而使系統(tǒng)更加便于客戶使用。

 

當然，所有技術(shù)都有自身的缺點。例如，鋰離子電池的制造比基于鎳的充電電池更復雜，所以價格更貴。但作為一種大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，規(guī)模經(jīng)濟和持續(xù)的技術(shù)改進正在快速降低其制造成本。

 

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。由于使用易燃電解質(zhì)，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(shù)鋰離子電池都有內(nèi)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于鎳的充電電池復雜的多。

 

 

小電池，長續(xù)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(tǒng) 

更慢的自放電：更少的充電次數(shù)，隨時可供使用

 

 

為避免這些安全問題，鋰離子電池需要恒流（CC）、恒壓（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(shè)定電壓。然后，充電電路切換到恒壓模式，從而提供必要的電流，以維持設(shè)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(quán)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(wěn)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(shè)置為電池容量（電池能持續(xù)供電一小時的最大電流）的一半，電壓設(shè)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(huán)。

 

 

由于這一復雜性，充電解決方案必須能夠密切監(jiān)測充電電流和電壓，并提供穩(wěn)定的控制回路，使充電電流和電壓在充電循環(huán)的合適時點保持合適的值（亦即使電流在第一階段保持恒定，電壓在第二階段保持恒定）。

 

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(guān)的測試。

 

 

日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會（JETIA）制定了關(guān)于鋰離子電池使用和充電的規(guī)范。雖然該規(guī)范只是指導性規(guī)范，而非認證機構(gòu)的嚴格標準，但業(yè)內(nèi)普遍認為該規(guī)范有助于確保鋰離子電池的安全使用。

 

如圖1所示，JEITA規(guī)范定義了最低溫度（T1）、最高溫度（T4）和位于二者之間的三個溫度區(qū)（低、中、高），以確保充電安全。

 

圖1：為保證鋰離子電池充電安全，JEITA規(guī)范規(guī)定的溫度區(qū)

 

規(guī)范規(guī)定了每個溫度區(qū)的最大安全電流。

 

高溫度區(qū)：最大電流為電池容量的50% 

標準溫度區(qū)：最大電流為電池容的70% 

低溫度區(qū)：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(qū)。

 

圖2：JEITA規(guī)范規(guī)定的鋰離子電池安全充電電流和電壓

 

 

可穿戴設(shè)備市場現(xiàn)在增長迅猛，并將在未來幾年繼續(xù)保持增長。系統(tǒng)功耗和能量采集潛力方面都已取得一定進展。但我們離可穿戴設(shè)備從其所在環(huán)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(shè)備和其他功能豐富的物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)設(shè)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(xù)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(tǒng)尺寸和提高設(shè)計靈活性。

 

但這些電池需要更復雜的充電解決方案來確保安全和高效的充電。