整體性能與整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)可用性的基礎(chǔ)

最近，我終于有時(shí)間清理扔在我辦公室柜子后角的一些舊盒子，它們大多屬于早已被遺忘的舊筆記本和圖紙，但我發(fā)現(xiàn)了一件很有意思的東西，我決定留下作為歷史紀(jì)念。這是我至少?gòu)?1993 年保存到現(xiàn)在的第一本鋰離子電池規(guī)范說明書傳真件。

那時(shí)候，我的工作是為便攜式計(jì)算機(jī)開發(fā)電池組和充電系統(tǒng)。鋰離子技術(shù)當(dāng)時(shí)只是作為高端便攜式產(chǎn)品的“未來潮流”初露鋒芒。我們知道它價(jià)格昂貴，沒有真正在意。順便提一件我覺得非常有意思的事，在去年超級(jí)本產(chǎn)品上市前，一般的筆記本電腦所使用的電池尺寸、重量及典型三小時(shí)電池使用壽命與我們 20 年前的設(shè)計(jì)相差無幾。

作為一名多年為便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，我已經(jīng)認(rèn)識(shí)到對(duì)“我們這種人”看似魅力無窮的新技術(shù)往往不為最終用戶所看重。解決方案的技術(shù)細(xì)節(jié)及高級(jí)程度讓我們深感振奮，但對(duì)從未看到過設(shè)備內(nèi)部的人來說，他們的觀點(diǎn)可能就會(huì)大相徑庭。

“傳統(tǒng)”鋰離子（鈷）18650 電池性能加州 1993 額定性能為 1300mAH，最大放電速率不超過 1C。如今與之具有同等尺寸的“能源電池”擁有其大約兩倍的容量和速率性能。

我還記得1991 年第一次向新聞?dòng)浾哒故拘庐a(chǎn)品（首款采用 80486 處理器的便攜式計(jì)算機(jī)）的時(shí)候，我感覺非常氣餒，因?yàn)閷?duì)他來說，最值得興奮的特性是有橡膠腳的可拆卸鍵盤。而任何與內(nèi)部電路有關(guān)的問題他卻絲毫未曾問及。不過理所當(dāng)然的是，如果任何這種看不見的電路性能低下或者完全處于故障狀態(tài)，肯定會(huì)引起某人的注意?？磥韺?duì)電源設(shè)計(jì)人員而言，最理想的情況就是從來沒有人注意到自己的工作。我們中的許多人可能會(huì)感到自己默默無聞，但這可能不是什么壞事。

隨著可移植特性進(jìn)入越來越多的產(chǎn)品，電源和電池管理設(shè)計(jì)理所當(dāng)然至關(guān)重要，即便這不被最終用戶認(rèn)可。他們所關(guān)注的是各種缺陷。能想到的典型例子有：“我的膝上型電腦太熱，沒法真正放在膝上使用”，或是“我必須一天為我的手機(jī)電池充電兩次”。這有點(diǎn)像一所房屋的地基，如果它堅(jiān)實(shí)、建造良好，沒有人會(huì)想起它。但如果每次下雨您的地下室都進(jìn)水，那么就真的遇到難題了。

所以，讓我們回到我剛開始提及的“古老”電池技術(shù)。雖然電池在過去 20 年里的發(fā)展速度沒有半導(dǎo)體技術(shù)那么快，但也有顯著變化和發(fā)展。特別是在過去五到七年里，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)性能需求的雙重推動(dòng)下，用于特殊應(yīng)用和新興應(yīng)用的各種備選化學(xué)類型實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。目前有多家廠商提供各種尺寸、功率額定值和化學(xué)類型的電池。事實(shí)上，選擇非常豐富，現(xiàn)在許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員甚至都不知到從哪里入手了。

典型的陽極及陰極材料均用于鋰離子電池。上表中所有的電池都視為“鋰離子”，但其工作電壓范圍可能會(huì)如表所示，變化幅度非常大。此外，它們還將具有不同的容量、充電循環(huán)使用壽命以及充／放電速率性能（表中未顯示）。

雖然我們可能會(huì)認(rèn)為相關(guān)電池的基本決定是“我應(yīng)該使用鋰離子電池還是其它電池”，但只要快速瀏覽上表就會(huì)知道，不是所有鋰離子都是一樣的。如果回到 93 年，決定就非常簡(jiǎn)單了，但現(xiàn)在這些技術(shù)之間已經(jīng)存在著某些顯著的差異。

比如說最終產(chǎn)品是某種類型的便攜式設(shè)備，無論是智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、媒體播放器、電動(dòng)工具還是某種類型的專用醫(yī)療儀器，都可以放心大膽地說每年的新型號(hào)與上一代產(chǎn)品相比，都有某種程度的增強(qiáng)性能（更快的處理器、更好的顯示效果、更大的存儲(chǔ)器容量、功能更強(qiáng)大的電機(jī)等）。

但是，鑒于這些產(chǎn)品可能都有外部配件，特別是電池組和充電器／適配器，對(duì)于可能已經(jīng)購(gòu)買大量配件的客戶而言，保持向后兼容性是他們保持品牌忠誠(chéng)度的強(qiáng)大動(dòng)力。因此，常見的情況是基礎(chǔ)性電源系統(tǒng)架構(gòu)（系統(tǒng)電壓軌、外部充電器電壓和／或電池組尺寸或類型）可能跨越多代產(chǎn)品而保持不變。

現(xiàn)在，大多數(shù)電池制造商都在其電池設(shè)計(jì)中提供高能源及高速率選項(xiàng)，部分還提供高溫選項(xiàng)。雖然電池往往是以其性能參數(shù)而非化學(xué)成分來描述的，但由于制造商可能不希望將其秘密配方言之過詳，所以熟悉各種化學(xué)門類基本術(shù)語對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師而言非常有用。

原始配方 LiCoO2 通常簡(jiǎn)稱鈷技術(shù)，雖然主要出于成本原因，這種技術(shù)正在隨時(shí)間推移而退出市場(chǎng)，但其使用仍然相當(dāng)普遍。LiFePO4（簡(jiǎn)稱磷酸鹽）和現(xiàn)有鋰—鎳—錳—鈷 （NMC） 等替代性化學(xué)物質(zhì)已經(jīng)針對(duì)需要更高速率的各種應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，但也可以作為折衷方案，針對(duì)能量（容量）進(jìn)行優(yōu)化。

鋰離子 IBR18650BC（Mn-NMC 混合物）電源電池性能，雖然容量（約 1500mAH）只略高于“經(jīng)典”LiCoO2 電池，但這種類型的鋰離子電池可在高電流下放電，速率達(dá) 20C，而且充電只需幾分鐘。數(shù)據(jù)由 E-One Moli Energy（加拿大）有限公司提供。

需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)權(quán)衡性能規(guī)范。例如，對(duì)于準(zhǔn)備在室內(nèi)使用的產(chǎn)品，低溫性能可能不是重點(diǎn)，但如果這種室內(nèi)產(chǎn)品會(huì)頻繁發(fā)生負(fù)載浪涌，那么高峰值電流功能可能會(huì)非常重要。充電循環(huán)使用壽命又當(dāng)如何？產(chǎn)品是主要使用電池供電并且需要（頻繁）定期充電，還是在主電源發(fā)生故障時(shí)作為主要備用電池？可不可以靈活地改變外部充電器的電壓輸出，或者是否需要與原有配件兼容？

因此，每過幾年，如果有機(jī)會(huì)做出要使用電池類型的真正決定，需要仔細(xì)考慮。在出資購(gòu)買前花幾天甚至幾星期時(shí)間來考慮，有可能會(huì)讓你和你的公司能夠長(zhǎng)期避免大量的麻煩。深入了解一下是值得的。多和幾家不同的電池供應(yīng)商談?wù)?，根?jù)系統(tǒng)的預(yù)期用途需求對(duì)每種技術(shù)的利弊進(jìn)行權(quán)衡。在實(shí)際工作條件下測(cè)試這些電池的性能。這種“瑣碎”的決定或許是您的客戶從來就不會(huì)注意的事情，但它是整體性能與整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)可用性的基礎(chǔ)。

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