锂电池管理及其性能的主要挑战

到了 30% 的时候，你会开始抽搐吗？15%？或者你是否尽可能多地使用智能手机，等到它的电池寿命只有 5% 时才争先恐后地找地方插电？就像电动汽车司机经历的里程焦虑一样，低电量焦虑是移动设备用户的一种合理感受。这种痛苦实际上有一个名字：nomophobia，害怕与智能手机分开，可能是因为信号问题或电池电量不足。

因此，我们的电子设备的大部分护理和供电都围绕电池管理进行。每次为设备充电时，您都希望在再次插入之前尽可能多地使用它。而且，根据您的设备，您甚至可以调整充电活动，以确保所述电量不会超过或低于电池的限制，因此您不会过度充电小工具（并导致它过热，或者更糟糕的是，赶上火！）或将其置于其放电阈值以下（这可能会永久降低容量）。

对于设计便携式电子产品的工程师来说，电池管理包含更深层次的挑战。设备越来越小，这会影响电池容量。然而，消费者仍然需要更长的电池寿命。内部的锂电池通常需要复杂的电池管理技术，而这些技术直到最近才完全可用。让我们仔细看看锂电池以及管理其性能所涉及的主要挑战。

多种口味的锂电池

1970 年代初，第一批商用锂电池上市。这些是不可充电的，几十年后出现了可充电的同类产品，索尼在 1991 年推出了第一款商用锂离子 （Li-ion） 电池。1锂离子电池的优势包括高能量密度、低自放电率和可忽略的记忆效应。还有各种化学类型，每一种都适用于特定应用。这是一个概述：

钴酸锂 （LCO） 提供高能量密度，适用于手机、笔记本电脑和数码相机等移动设备。

锰酸锂 （LMO） 具有低电池内阻，支持快速充电和大电流放电，常用于电动工具、医疗器械以及混合动力和电动汽车。

锂镍锰钴氧化物 （NMC） 提供高容量和高功率，是电动工具、电动自行车和其他电动动力系统的理想选择。

磷酸铁锂 （LiFePO 4 ） 具有高额定电流、长生命周期和良好的热稳定性，通常用于替代铅酸启动电池或用于储能。

锂镍钴铝氧化物 （LiNiCoAIO 2 ） 具有高比能量、良好的比功率和长寿命，用于电动汽车动力总成。

钛酸锂 （Li 4 Ti 5 O 12 ） 提供快速充电和高放电电流，被认为非常安全。它通常用于电动动力系统、不间断电源 （UPS） 和太阳能路灯。2

延长便携式设备的电池寿命

对于便携式设备，拥有强大的电池管理系统是解决关键设计挑战的重要因素，我将在此讨论。

延长电池寿命

虽然持久的电池寿命是便携式设备制造商的圣杯，但它也是最具挑战性的问题之一。尽管有容量限制，但这些设备仍然支持更多功能——更复杂——每一代。拿智能手表。早期的迭代提供了电视接收（Seiko T001）、计算器以及用于日程安排和备忘录的应用程序（Seiko RC-20 Wrist Computer）等功能。电视手表可以使用 AA 电池运行几个小时。今天的智能手表比以往任何时候都更时尚，可用作健康和健身监视器、信使、音乐播放器等。市场上最好的电池每次充电可持续数天。为了充分利用锂离子电池，电池管理 IC 的静态电流等考虑因素起着不可或缺的作用。例如，

维护设备的可靠性和安全

性 更好的设备可靠性和安全性需要仔细管理功耗，为用户提供准确的电池 SOC 数据的能力，以及对电池单元的可靠保护。热问题引发了一个有趣的难题。一家英国电池咨询公司在其电池和能源技术网站上指出，“具有讽刺意味的是，随着电池工程师努力将越来越多的能量塞入越来越小的体积中，应用工程师再次将其取出的难度越来越大。” 3电池充电控制器技术可以通过提供电池鉴定以检测各种条件（例如短路、开路或欠切断）、感应电池温度以及为充电器的所有状态提供超时来提供帮助。对于电池 SOC 数据，电量计 IC 可以预测电池可以为设备供电多长时间，直到需要充电。保护电池单元需要可靠的电池监控器和保护器等 IC，它们提供高精度测量以实现精确的电压确定，并监控单个电池电压，同时还分别防止过压/欠压情况。

缩小解决方案尺寸和成本

便携式设备变得越来越紧凑，这意味着内部的电池必须在不占用太多空间的情况下为一系列丰富的功能供电。这就是为什么纽扣电池外形在这些小工具中如此普遍的原因。因此，集成到电池管理 IC 中的功能越多，就越能更好地满足空间限制需求以及材料清单 （BOM） 成本。

防止电池克隆和仿冒

电池组克隆不利于收入流和品牌声誉。在最坏的情况下，假冒电池可能会造成人身伤害或财产损失。假冒版本通常缺少真品中设计的安全组件或保护装置。身份验证可确保产品是正品并提供防伪保护。当今的电量计 IC 采用一种由加密 SHA-256 哈希算法保护的方法，提供了一种经济高效且相对简单的电池保护方法。

为 USB-C 设计充电电路

越来越多的移动设备正在设计带有 USB-C 的小型多功能连接器，用于双向数据传输和电力传输。然而，为 USB-C 开发充电电路是一项独特的技能，尤其是与设计传统 USB 变体所涉及的工作相比。USB-C降压充电器技术可以简化工艺，无需单独的端口控制器IC，减少主机软件开发，降低BOM成本。

电池管理 IC 可降低成本、节省空间、延长电池寿命

传统上，许多工程师并没有特别了解电池管理技术。电池管理系统的核心功能包括充电和电量计量，这对于任何移动或物联网 （IoT） 应用程序也至关重要。然而，从电池驱动高水平性能需要高质量的电池模型来驱动电量监测算法。为特定电池提取正确的模型涉及复杂且昂贵的工作，通常只有少数大型制造商可以完成。幸运的是，采用复杂算法设计的现代电量计 IC 为获得准确的电池模型开辟了道路。例如，Maxim 提供带有 ModelGauge ™的电量计m5 EZ 算法，无需电池表征即可提供高度准确的电池 SOC 数据。设计人员可以使用评估套件软件中的简单配置向导自行生成电池模型。这些电量计 IC 是 Maxim 更大的电池管理产品组合的一部分，其中包括电池充电器、监视器、保护器、选择器以及识别和认证解决方案。在我们的电池管理页面上查看开发板、应用说明、视频等，为您的下一个电池供电便携式设计抢先一步。

审核编辑：郭婷