物聯(lián)網(wǎng)將改善現代生活的幾乎各個(gè)方面。通過(guò)收集和分析大量數據，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(chǎng)所的能源消耗、監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。用于收集數據的設備需要體積小、易于使用且幾乎隨時(shí)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(wàn)計的人已經(jīng)在使用可穿戴設備來(lái)跟蹤活動(dòng)、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，并能長(cháng)時(shí)間連續工作。智能家居傳感器節點(diǎn)和其他物聯(lián)網(wǎng)應用也面臨相似的要求。

 

這產(chǎn)生了如何為這些設備供電的問(wèn)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(jìn)步，但距離實(shí)現理想還有一定差距。在可預見(jiàn)的未來(lái)，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(lái)一段時(shí)間，可充電電池應該是首選電源。

 

 

可穿戴設備不僅尺寸很受限制，而且由于需要長(cháng)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(jìn)行的反復研究表明，電池續航時(shí)間是消費者購買(mǎi)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(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)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(cháng)的工作時(shí)間。同時(shí)，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(zhù)鋰電池需要更少的電芯（cell），這也有助于實(shí)現更小更輕的系統。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，而且電池放置很長(cháng)時(shí)間后也能隨時(shí)再次使用，從而使系統更加便于客戶(hù)使用。

 

當然，所有技術(shù)都有自身的缺點(diǎn)。例如，鋰離子電池的制造比基于鎳的充電電池更復雜，所以?xún)r(jià)格更貴。但作為一種大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，規模經(jīng)濟和持續的技術(shù)改進(jìn)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(fēng)險。由于使用易燃電解質(zhì)，所以如果充電電壓過(guò)高或過(guò)低都有可能導致起火或爆炸。不過(guò)，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(guò)壓或欠壓。但鋰離子電池的充電過(guò)程仍然比基于鎳的充電電池復雜的多。

 

 

小電池，長(cháng)續航時(shí)間，高能量密度 

更高工作電壓意味著(zhù)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(shí)可供使用

 

 

為避免這些安全問(wèn)題，鋰離子電池需要恒流（CC）、恒壓（CV）的充電過(guò)程。在此過(guò)程中，電池首先以固定電流充電，直至達到設定電壓。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(guò)高會(huì )造成電池受壓或過(guò)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(jià)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(shí)的最大電流）的一半，電壓設置為每個(gè)電芯4.2 V。不過(guò)事實(shí)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(guò)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測充電電流和電壓，并提供穩定的控制回路，使充電電流和電壓在充電循環(huán)的合適時(shí)點(diǎn)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(jìn)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(shí)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(huì )（JETIA）制定了關(guān)于鋰離子電池使用和充電的規范。雖然該規范只是指導性規范，而非認證機構的嚴格標準，但業(yè)內普遍認為該規范有助于確保鋰離子電池的安全使用。

 

如圖1所示，JEITA規范定義了最低溫度（T1）、最高溫度（T4）和位于二者之間的三個(gè)溫度區（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規范規定的溫度區

 

規范規定了每個(gè)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。

 

圖2：JEITA規范規定的鋰離子電池安全充電電流和電壓

 

 

可穿戴設備市場(chǎng)現在增長(cháng)迅猛，并將在未來(lái)幾年繼續保持增長(cháng)。系統功耗和能量采集潛力方面都已取得一定進(jìn)展。但我們離可穿戴設備從其所在環(huán)境中獲取能量進(jìn)行充電的目標還有很長(cháng)的距離。因此，可穿戴設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，可幫助系統設計工程師滿(mǎn)足尺寸限制，同時(shí)提供使消費者滿(mǎn)意的長(cháng)電池續航時(shí)間。其較高工作電壓意味著(zhù)需要的電芯更少，從而可以進(jìn)一步減小系統尺寸和提高設計靈活性。

 

但這些電池需要更復雜的充電解決方案來(lái)確保安全和高效的充電。