升级到锂离子电池的电源管理系统分析

由于便携电子系统变得越来越精巧，在选择电池之前，需要对整个电源管理系统进行深入的分析。现在，许多制造商考虑选用锂离子电池，因为同较老的电池技术相比，这种电池有许多优点。

然而，我们不能通过简单地用锂离子电池更换较老电池技术的方式来实现升级。确定升级可行性的第一步是全面描述原系统的电池使用特性（图1），包括：温度范围、放电特性、充电机制、预期的存放寿命和运输要求。

除预期的应用之外，还应考虑其它方面的特性。例如，在环境温度超常时，对于额定值相同但生产厂家不同的电池，性能（如负载下的电压输出和运行时间）可能有很大不同。存放寿命是选择电胞（cell）化学类型的重要依据，或者说，自放电速率是我们选择电胞化学的决定性参数。

要理解电池电源管理，我们必须清楚典型便携系统电池包的主要元件（图2）。电池电胞提供原发能源，电池包内部的智能电子线路实现一些特殊的功能，如：根据电胞的残存容量确定电池电量的“电量表（Fuel gauge）” 、保护电路（对锂离子电池） 、监视电池包内部温度的热传感器、指示电池包或电胞状态的LED，以及与相关的宿主系统对话的串行数据通讯总线、

另外，还应考虑系统的封装问题：可与宿主系统进行物理和电气接口的定制塑料外壳；吸收外部冲击及保持或散掉电池包所产生的热量的绝缘材料。

为什么采用锂离子技术？

与其它可充电化学电池相比，锂离子电池具有许多优点，包括能量密度更高、重量更轻、寿命更长、容量保持能力强、可承受更宽的环境温度变化和容许更大的电流。采用串联和并联的方式把电胞组合起来可提供支持复合应用所需要的电压和容量，这是其它技术所做不到的（或因成本过高而缺乏实用价值）。锂离子电池可提高能量密度的主要原因是电胞的电压更高（图3）。

另外，与其它化学电池相比，锂离子电池对环境更友好。如果电池可靠且保护电路和充电器设计合理，现代锂离子电池包可保证较高的安全性。

在消费电子产品（如膝上型电脑和蜂窝电话）推动下，锂离子电池的成本由于生产量增大而降低。锂离子电池的成本通常与镍金属氢化物（NiMH）电池相当，但锂离子电胞的工作电压更高（3.6对1.2V），对于同样的电压要求，锂离子电池可使用更少的电胞。

由于尺寸和形状参数比传统电胞小，锂离子电胞有更大的设计灵活性。锂离子电胞的外形有圆柱形（传统的镍镉电池和镍金属氢化物电池所使用的性状）和菱柱形（扁平形，像薄薄的盒子），还有外形可定制的聚合物电胞（超薄，用软膜封装）。另外，由于在锂离子化合物中不含重金属，同密封铅酸、镍镉（NiCd）或NiMH可充电技术相比，锂离子电池更加环境“友好”。

电池寿命通常以充放电次数来衡量。在正确使用的情况下，电池寿命应达到充电300到500次。虽然这个范围较宽，但由于电池的用途和设计考虑不同，存在这样的差别是正常的。当不能达到其初始或额定容量的80%时，电池的寿命终止。

锂离子电池无需依靠在再次充电之前完全放电来延长电池的寿命（不完全放电被称为浅放电）。另外，使用设计合理的充电器和电池控制电路，浅放电和重复充电不会破坏锂离子电池或缩短其寿命-这与其它化学电池有很大不同。

升级到锂离子电池

锂离子电池包的电子线路比其它技术要复杂的多。许多“灵巧型”锂离子电池包提供电量测定、电胞平衡和电胞保护等功能。锂离子电池使用一种与其它化学电池不同的充电和终止充电方式，因而，并不是所有的宿主系统都能够从密封铅酸电池或镍电池灵活地升级到锂离子电池。

任何化学电池都不允许过充电。因而，锂离子电池系统应包含可准确检测到充电周期结束并及时终止充电过程的电源管理电路。对于锂离子电池，常流常压（CCCV）关断方法可避免过充电。在把系统从NiCd或NiMH电池升级到锂离子电池时，须确保新电池无法插入到原有的充电器。

锂离子电胞制造商承认，有些工况超出了电胞的正常工作范围，其中包括要求长时间提供大功率（电动工具）和在过热和过冷的环境（沙漠或靠近极地）下工作。这个特殊市场过去依靠NiCd和密封铅酸电池，当温度较低时，NiCd电池的表现比NiMH和锂离子电池要好得多。

NiCd电池在-30°C时可达到额定容量的40%左右，而标准锂离子电池的额定温度不能低于-20°C。事实上，锂离子电解液在温度为-30°C时开始凝固。现在有一些厂家提供可满足这些需求的锂离子电胞和电池包，其它一些厂家也在开发中。在系统开发之前或开发过程中，应确认是否存在这样的需求进而根据需求来设计电池包。

尽可能延长锂离子电池的寿命

要使化学电池发挥其最大的潜力，应保证在厂家建议的工作环境中使用、应用系统设计合理、存放方法正确、充电器是根据电池的工作特行而专门设计的。对大多数锂离子电池而言，这意味着工作在0°C到60°C、空气流通状况良好的环境中，而且宿主设备中的其它元件不产生可能引起电池的电胞或电子线路过早退化的热点。前面引用的温度指的是电池内部的温度，在低温或高温环境下工作的电池可通过隔离材料（低温）或电扇（高温）进行防护，但如果长时间暴露在极限温度下，电池可能会受到破坏。

尽管大多数电池是针对系统所要求的恶劣环境而设计的，但如果使用不当也可能会损坏电池并需要更换。“灵巧型”锂离子电池常常使用复杂的电源管理系统来改进或优化能量供给系统的整体性能。电源管理线路的基本功能是控制出入电池的能量流并避免误用。因而，我们可以通过监视关键的参数并把这些信息传递到系统中来增强使用的安全性。

在达不到原始容量的80%时应更换电池，但由于并不是所有用户手头都有测量设备，难以据此进行判定。事实上，用户可把电池重新充电的频度作为判定的依据。

如果只在白天使用，每年通常需充电200到250次，电池的寿命为18-24个月。如果天天24小时使用且接续重新充电，建议每年更换一次。如果电池使用的频度较低、周期性闲置或作为后备电池使用，则3到4年内无需更换。

废旧电池的处理受到地方法规和条例的约束，世界上不同地区的要求有很大不同。大多数地方已经建立了一些回收废旧电池的设施和公司，所有用户都应遵守这些条例和使用这些设施，而分销商也应对如何更好地遵守这些法规和服务提供指导意见。