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可穿戴式設備用鋰離子電池保護及被動保護元件的趨勢

時間:2014-09-22 12:40來源:TE 作者:孫明 點擊:
可穿戴式設備在近兩年成為眾人所關注的熱門話題,自從Google Glass發佈以來,行動可穿戴式設備概念成為市場中的焦點。有人甚至認為可穿戴式設備將代替以智慧型手機為代表的行動設備潮流,進一步將人們的生活和工作智慧化、簡便化。目前市場上常見的可穿戴式設備還包括如:健康手環、智慧腕帶、智慧型手錶等等。硬體能力的微型化和高性能演進,尤其是無線網路技術的深耕密植,讓可穿戴式技術應用的概念更加緊密地圍繞在人的本身。
 
可穿戴式設備與人體直接接觸,因此其產品的安全可靠性就顯得更加重要。拆解其組成部件後可以發現,作為提供電力支援的電池是最大的潛在不安全因素。因此足夠安全可靠的電池是這類產品必然的選擇。
 
目前聚合物鋰離子電池已成為該類產品的首選。筆者分析其原因如下:
1. 與傳統的鋰離子電池相比較,它的重量更輕,外觀設計更靈活,可以製作成各種形狀和尺寸,例如下圖中的彎曲異性電池。
 

                                                       電池正面               電池背面
 
2. 相較於傳統的鋰離子電池,聚合物鋰離子電池本身的安全性也更高。
除了電池構成材料本身的安全外,必要的失效保護設計也十為重要。由於鋰離子電池在過充電、過電流及短路等情況下會發生爆炸起火,從而嚴重影響人身及財產安全。因此,合格鋰離子電池的應用都必須包含保護電路,如下圖顯示:
 

鋰離子電池保護原理圖
 
鋰離子電池保護電路通常包含兩極:
主動元件保護(保護IC 和MOSFET),又稱為一級保護,
被動元件保護(MHP-TA、PTC、Fuse),又稱為二級保護。
 
一級保護電路主要是針對電池的過充、過放、超載及短路進行保護,通過IC 檢測電池電壓及充放電電流來控制MOSFET的導通或關斷,從而確保鋰離子電池可在安全狀態下工作。
 
二級保護主要是針對電池的過溫/過熱保護。有讀者可能會問,已有了一級保護後,為什麼還需要二級被動元件的保護呢?
 
主要原因有兩個:
1. 保護電路參數設計不當或一級保護電路元件故障導致保護電路失效;
2. 鋰離子電池芯本身不合格,即使正常條件下充電,也有起火爆炸的可能。
 
基於以上原因,國際上針對鋰離子電池的安規標準即明確地要求鋰離子電池在一級保護失效的情況下,仍然還要可以安全地充放電。因此,為了讓鋰電池的應用更加安全,在一級保護電路(IC/MOSFET)的基礎上,又增加了二級被動元件保護:用可恢復保護元件(PTC 或 MHP-TA)去監測電池芯的溫度,當溫度異常升高時,PTC 或MHP-TA感測到溫度後呈現高阻狀態,拉低電流,藉此阻礙電池繼續充電,從而防止鋰離子電池的起火爆炸。下圖是過充測試條件下溫度/電壓/電流的變化曲線。當電池升高到一定溫度時,PTC達到動作點動作,充電回路呈現高阻,電流接近零,以便讓電池溫度可迅速下降。
 

1C/6V過充測試
 
鋰離子電池產品要通過相關安全測試如: UL/CB...,必須選用適合的二級保護元件。目前被廣泛應用於鋰離子電池二級保護的被動元件正是PPTC。
 
下面來談談可穿戴式設備對鋰離子電池保護元件的參數要求及趨勢:
 
根據從電池生產商瞭解到的資訊,目前可穿戴式設備用鋰離子電池的容量多低於1000mAh,主要集中在200~600mAh,其對PPTC的常溫保持電流要求多在1A上下。出於對可穿戴式設備產品設計/安全應用的要求,這類應用基本上都會選用聚合物鋰離子電池,而此類電池對PPTC的封裝要求已趨向於SMD貼片類型,封裝尺寸/內阻要求也是越小越好。而目前SMD貼片類型PPTC主流產品的封裝尺寸為1210和1206,該尺寸基本上可以滿足現有手機電池/平板電腦電池的應用。而對於有著更小封裝尺寸要求的可穿戴式設備用鋰離子電池應用,就目前市場上幾家主要PPTC生產商所公佈的產品資料顯示,其低電阻貼片系列小電流產品基本上還處於空白,沒有參數性能可以完全對應到產品。根據相關機構公佈的調查資料顯示, 2012年中國可穿戴式市場中的各種設備總出貨量達230萬部,預計到2015年,市場的總出貨量將超過4000萬部。因此可以預見的是,哪家PPTC生產廠商能夠搶先開發出參數滿足可穿戴式設備電池應用要求的元件,將可取得佔領該市場的契機,在未來的競爭中處於更有利的地位。
 
 
(責任編輯:jane)
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