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可穿戴设备与其它小型系统为何青睐锂电池电源?

导读: 为了收集所需的数据,消费者必须将可穿戴设备持续戴在身上。因此,它们必须小巧而舒适,并能长时间连续工作。智能家居传感器节点和其他物联网应用也面临相似的要求。这产生了如何为这些设备供电的问题。

物联网将改善现代生活的几乎各个方面。通过收集和分析大量数据,物联网可以帮助我们管理身体健康、减少在家居和工作场所的能源消耗、监测和改善我们所在的环境等等。

物联网的潜在应用十分广泛,但它们也有一些共同的重要特征。用于收集数据的设备需要体积小、易于使用且几乎随时可供使用。这些要求可能在可穿戴设备上最为明显,全世界有数以百万计的人已经在使用可穿戴设备来跟踪活动、监测身体指标和改善健康。

为了收集所需的数据,消费者必须将可穿戴设备持续戴在身上。因此,它们必须小巧而舒适,并能长时间连续工作。智能家居传感器节点和其他物联网应用也面临相似的要求。

这产生了如何为这些设备供电的问题。理想的情况是,它们可以直接从所处的环境中获得能量,这样它们可以始终保持有电。虽然我们已经在降低功耗和改善能量采集上取得了很大进步,但距离实现理想还有一定差距。在可预见的未来,我们还需要依靠电池作为主要电源。特别是,为了最大限度减少由数十亿设备造成的能源浪费,在未来一段时间,可充电电池应该是首选电源。

可穿戴设备和其他小型系统的电池充电安全

可穿戴设备不仅尺寸很受限制,而且由于需要长期穿戴,舒适性也很重要,因此它们还必须非常轻,所以电池就必须尽可能小。不仅如此,IDC和GMI进行的反复研究表明,电池续航时间是消费者购买电池供电式便捷产品的第一考虑因素。因此,高电池容量对产品获得成功非常重要。

同时满足这两个要求使得电池面临的挑战更加艰巨。幸运的是,锂电池的许多特性使它们能够克服这一挑战,从而成为可穿戴设备应用的理想选择。

首先,它们提供高能量密度,允许系统设计工程师选择更小更轻的电池,而且能提供更长的工作时间。同时,锂电池的工作电压通常为3.7 V,相比之下,镍氢或镍镉电池只有1.2 V。这意味着锂电池需要更少的电芯(cell),这也有助于实现更小更轻的系统。另外,它们的自放电率也远低于基于镍的电池,约为每月2%,而镍氢和镍镉电池高达每天5%。这样不仅能够减少充电次数,而且电池放置很长时间后也能随时再次使用,从而使系统更加便于客户使用。

当然,所有技术都有自身的缺点。例如,锂离子电池的制造比基于镍的充电电池更复杂,所以价格更贵。但作为一种大量生产的产品,规模经济和持续的技术改进正在快速降低其制造成本。

最近的头条新闻也显示,锂离子电池具有更大的潜在安全风险。由于使用易燃电解质,所以如果充电电压过高或过低都有可能导致起火或爆炸。不过,大多数锂离子电池都有内部保护电路,可以在一定程度上防止过压或欠压。但锂离子电池的充电过程仍然比基于镍的充电电池复杂的多。

锂离子电池:实现舒适方便的可穿戴设备 
? 小电池,长续航时间,高能量密度 
? 更高工作电压意味着更少的电芯和更小的系统 
? 更慢的自放电:更少的充电次数,随时可供使用

充电挑战

为避免这些安全问题,锂离子电池需要恒流(CC)、恒压(CV)的充电过程。在此过程中,电池首先以固定电流充电,直至达到设定电压。然后,充电电路切换到恒压模式,从而提供必要的电流,以维持设定电压。

为了获得最佳充电效果,必须对电流和电压水平的选择做出精心的权衡。以较高电压充电可以增加电池容量,但电压过高会造成电池受压或过充,导致永久损害、不稳定性和危险。同样,较高充电电流可以加快充电速度,但代价是减少电池容量:充电电流降低30%可以使电池储存的电荷量增加10%之多。

因此,充电电流通常设置为电池容量(电池能持续供电一小时的最大电流)的一半,电压设置为每个电芯4.2 V。不过事实证明,使用略小的充电电流及电压可减缓电池老化,使其能够以更高的蓄电量度过更多的充电循环。

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