整体性能与整体系统设计可用性的基础

最近，我终于有时间清理扔在我办公室柜子后角的一些旧盒子，它们大多属于早已被遗忘的旧笔记本和图纸，但我发现了一件很有意思的东西，我决定留下作为历史纪念。这是我至少从 1993 年保存到现在的第一本锂离子电池规范说明书传真件。

那时候，我的工作是为便携式计算机开发电池组和充电系统。锂离子技术当时只是作为高端便携式产品的“未来潮流”初露锋芒。我们知道它价格昂贵，没有真正在意。顺便提一件我觉得非常有意思的事，在去年超级本产品上市前，一般的笔记本电脑所使用的电池尺寸、重量及典型三小时电池使用寿命与我们 20 年前的设计相差无几。

作为一名多年为便携式产品设计电源系统的设计人员，我已经认识到对“我们这种人”看似魅力无穷的新技术往往不为最终用户所看重。解决方案的技术细节及高级程度让我们深感振奋，但对从未看到过设备内部的人来说，他们的观点可能就会大相径庭。

“传统”锂离子（钴）18650 电池性能加州 1993 额定性能为 1300mAH，最大放电速率不超过 1C。如今与之具有同等尺寸的“能源电池”拥有其大约两倍的容量和速率性能。

我还记得1991 年第一次向新闻记者展示新产品（首款采用 80486 处理器的便携式计算机）的时候，我感觉非常气馁，因为对他来说，最值得兴奋的特性是有橡胶脚的可拆卸键盘。而任何与内部电路有关的问题他却丝毫未曾问及。不过理所当然的是，如果任何这种看不见的电路性能低下或者完全处于故障状态，肯定会引起某人的注意。看来对电源设计人员而言，最理想的情况就是从来没有人注意到自己的工作。我们中的许多人可能会感到自己默默无闻，但这可能不是什么坏事。

随着可移植特性进入越来越多的产品，电源和电池管理设计理所当然至关重要，即便这不被最终用户认可。他们所关注的是各种缺陷。能想到的典型例子有：“我的膝上型电脑太热，没法真正放在膝上使用”，或是“我必须一天为我的手机电池充电两次”。这有点像一所房屋的地基，如果它坚实、建造良好，没有人会想起它。但如果每次下雨您的地下室都进水，那么就真的遇到难题了。

所以，让我们回到我刚开始提及的“古老”电池技术。虽然电池在过去 20 年里的发展速度没有半导体技术那么快，但也有显著变化和发展。特别是在过去五到七年里，在经济和技术性能需求的双重推动下，用于特殊应用和新兴应用的各种备选化学类型实现了商业化。目前有多家厂商提供各种尺寸、功率额定值和化学类型的电池。事实上，选择非常丰富，现在许多系统设计人员甚至都不知到从哪里入手了。

典型的阳极及阴极材料均用于锂离子电池。上表中所有的电池都视为“锂离子”，但其工作电压范围可能会如表所示，变化幅度非常大。此外，它们还将具有不同的容量、充电循环使用寿命以及充／放电速率性能（表中未显示）。

虽然我们可能会认为相关电池的基本决定是“我应该使用锂离子电池还是其它电池”，但只要快速浏览上表就会知道，不是所有锂离子都是一样的。如果回到 93 年，决定就非常简单了，但现在这些技术之间已经存在着某些显著的差异。

比如说最终产品是某种类型的便携式设备，无论是智能手机、计算机、媒体播放器、电动工具还是某种类型的专用医疗仪器，都可以放心大胆地说每年的新型号与上一代产品相比，都有某种程度的增强性能（更快的处理器、更好的显示效果、更大的存储器容量、功能更强大的电机等）。

但是，鉴于这些产品可能都有外部配件，特别是电池组和充电器／适配器，对于可能已经购买大量配件的客户而言，保持向后兼容性是他们保持品牌忠诚度的强大动力。因此，常见的情况是基础性电源系统架构（系统电压轨、外部充电器电压和／或电池组尺寸或类型）可能跨越多代产品而保持不变。

现在，大多数电池制造商都在其电池设计中提供高能源及高速率选项，部分还提供高温选项。虽然电池往往是以其性能参数而非化学成分来描述的，但由于制造商可能不希望将其秘密配方言之过详，所以熟悉各种化学门类基本术语对系统设计工程师而言非常有用。

原始配方 LiCoO2 通常简称钴技术，虽然主要出于成本原因，这种技术正在随时间推移而退出市场，但其使用仍然相当普遍。LiFePO4（简称磷酸盐）和现有锂—镍—锰—钴 （NMC） 等替代性化学物质已经针对需要更高速率的各种应用进行了优化，但也可以作为折衷方案，针对能量（容量）进行优化。

锂离子 IBR18650BC（Mn-NMC 混合物）电源电池性能，虽然容量（约 1500mAH）只略高于“经典”LiCoO2 电池，但这种类型的锂离子电池可在高电流下放电，速率达 20C，而且充电只需几分钟。数据由 E-One Moli Energy（加拿大）有限公司提供。

需要根据系统设计的重点权衡性能规范。例如，对于准备在室内使用的产品，低温性能可能不是重点，但如果这种室内产品会频繁发生负载浪涌，那么高峰值电流功能可能会非常重要。充电循环使用寿命又当如何？产品是主要使用电池供电并且需要（频繁）定期充电，还是在主电源发生故障时作为主要备用电池？可不可以灵活地改变外部充电器的电压输出，或者是否需要与原有配件兼容？

因此，每过几年，如果有机会做出要使用电池类型的真正决定，需要仔细考虑。在出资购买前花几天甚至几星期时间来考虑，有可能会让你和你的公司能够长期避免大量的麻烦。深入了解一下是值得的。多和几家不同的电池供应商谈谈，根据系统的预期用途需求对每种技术的利弊进行权衡。在实际工作条件下测试这些电池的性能。这种“琐碎”的决定或许是您的客户从来就不会注意的事情，但它是整体性能与整体系统设计可用性的基础。

责任编辑：haq