手机电池技术的回顾(图)

福音牧师

伴随着手机技术的发展，手机电池也经历了“改朝换代”。从最初的NiCd和NiMH电池到Li离子电池，再到Li离子聚合物电池。更大能量密度，更小体积，更高寿命的手机电池有力的支持了手机的发展。下面将对手机电池的关键技术及重要参数作一个简单回顾。

手机电池电芯技术

电池应用技术的发展很大程度上由电芯技术的发展决定。随着电芯技术的不断发展， NiCd和NiMH电池的产量逐步下降，与此同时，Li离子电池的产量却稳步上升，并且Li离子聚合物电池也开始在市场中占有一定的份额。

一般来说，电芯具有阳极和阴极两个电极。阳极产生释放电子，并产生很多空穴，极性为正；阴极积聚电子，极性为负。充电时，电流在内部由阳极流到阴极；放电时相反，电流从外部从阳极流到阴极，给负载供电。电池性能的常见参数定义如下：如果一个充满电的电池经过一小时放电后电量全空，则此电流速率称为1C；把电池或电芯充电到满幅电压（如4.2V），然后经放电到电量为空（如3.0V），称为一个充放电循环；当电池的充电容量能保持有效的值（如最大充电量的80%）时，电池所能承受的充放电循环的次数称为电池的生命周期。

NiCd和NiMH电池电芯

NiCd电池的电芯使用Cd作为阳极，NiOOH作为阴极。NiCd电池具有较长的生命周期，较好的温度特性和较高的电池密度性。作为早期的电池，Cd材料对于环境的污染比较重，并且电池的密度性有待于进一步提高， 另外NiCd电池的容量很难再有提高，所以其逐渐淡出市场应用。

NiMH电池电芯使用MH作为阳极以及NiOOH作为阴极。NiMH电池具有很好的充放电特性，且电池密度比NiCd电池提高了30%，同时对环境也较友好。NiMH电池的本身安全性能比较好，它具有过充保护和过放电自恢复的功能，因此与Li离子电池相比，它不需要附加的保护电路和PCB板。NiMH电池有很多优点，但是在充电效率，电池密度性以及漏电流等方面还需要进一步提高。

Li离子电池电芯

Li离子电池电芯使用碳或石墨作为阳极以及金属氧化物或Co/Ni/Mn作为阴极，有机物或溶液作为电解液，以聚丙烯作为绝缘体。由于材料的性质，Li离子电芯需要放在一定形状的坚固的金属罐里，因此其耐压比较好，并且外型是固定的。

Li离子电池电芯提供的工作电压一般在3.6V以上，性能比较稳定。它的电量密度也非常高，自放电的漏电流很小，容量大且外部尺寸小。此外，Li离子电池电芯的生命周期长，一般在400个充放电循环以上，且生命周期内的工作性能稳定。图1显示了不同生命周期下的Li离子电池的1C放电的电压与时间的曲线图。

                               
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图1：不同生命周期下的LI离子电池的IC放电曲线

当Li离子电池电芯进入了由传统化学电池控制的领域，在提高能量密度的同时，电池设计和化学物质的变化也使得电池的关键参数得以提高。Li离子电池已应用在很多系统设计中，它能够很好的满足系统的能量要求。
当然，Li离子电池电芯是由不稳定和可燃的材料构成的，因此在电池设计时，安全性是一项重要的要求。

Li离子聚合物电池电芯

Li离子聚合物电池电芯跟Li离子电池电芯相似，使用碳作为阳极，金属氧化物作为阴极，凝胶体作为电解液，采用凝胶体隔膜作为绝缘体。Li离子聚合物电池具有更大的容量和更高的能量密度。与Li离子电池相似，它的自放电的漏电流也很小。但是，Li离子聚合物电池的稳定性不好，因此对它的操作要求比较严格。

Li离子聚合物电池技术的发展很大程度上提高了电池的能量密度、使用寿命、工作温度和存储时间，这种电池的能量使用效率非常高。外形上，Li离子聚合物电池使用塑料容器，比Li离子电池的金属外壳具有一定优势，但是Li离子聚合物电池也容易受力膨胀，因此生产中对于材料伸缩性的误差控制得很严格。从安全的角度来看，Li离子聚合物电池的电解液漏液和电池发热一直是个很头痛的问题。因为Li离子聚合物电池很容易膨胀，它的可靠性还有待于进一步提高。
总之，目前有很多厂家在不断提高聚合物电芯的技术，并提供跟Li离子电芯同样的价格服务。但是它的聚合物的稳定性一直没有得到验证，还有待于进一步提高和发展。

保护电路

保护电路是专为Li离子和Li离子聚合物这样可再充电的电池设计的，主要提供过充电、过放电和过电流的保护功能，此外还提供从保护状态下恢复的功能，有些还可以提供电池0V充电的功能。保护电路中的保护IC集成了高精确电压检测电路和延迟电路，可以精准的采集回路电压的细微变化并根据这一变化的延时长短来控制MOSFET的通断，从而起到保护电池的作用。

在保护电路中，安全保护IC主要控制回路中充电和放电MOSFET的通断。在充电过程中，当电芯电压超过安全保护IC的过充电检测电压，并且这种状态持续且超过安全保护IC的过充电检测延迟时间，安全保护IC将断开充电MOSFET以停止充电。在过充电保护状态下，当电芯的电压恢复到安全保护IC的过充电恢复检测电压以下，并延时一段以后，安全保护IC将闭合充电MOSFET，使回路恢复到正常状态；或者，电池外加一个负载放电，安全保护IC也将闭合充电MOSFET使回路恢复到正常状态。

在放电过程中，当电芯电压低于安全保护IC的过放电检测电压，并且这种状态持续且超过安全保护IC的过放电检测延迟时间，安全保护IC将断开放电MOSFET以停止电池放电功能。在过放电保护状态下，当电芯的电压恢复到安全保护IC的过放电恢复检测电压以上，并且电池正负两端有一充电电压触发，安全保护IC将闭合放电MOSFET，使回路恢复到正常状态。

有些保护电路具备0V充电功能，当电池电芯的电压通过自放电或其他方式降为0V时，电池能够通过充电器充电。

单保护和双保护电路

目前，Li离子电池的保护电路主要采用两种形式，即单保护模式和双保护模式。在单保护电路中，采用了一个安全保护IC和一个MOSFET器件，安全保护IC只提供一级保护的功能。安全保护IC会提供过充电、过放电、过电流保护以及其他正常操作的功能，通过控制MOSFET的通断来进行充放电的操作。

在双保护电路中，采用两个安全保护IC以及两个MOSFET器件。主安全保护IC提供过充电、过放电、过电流保护以及其他正常操作的功能，次安全保护IC提供辅助过充电保护功能。采用两级保护是由电池的要求决定的，同样也因为过充电保护是安全性要求中的一个重要项目。

热敏电阻

电池的使用过程中会产生热量，导致电池温度升高，从而引发电池安全性的问题。因此，在电路设计时采纳热敏电阻来检测电芯的表面温度，手机通过读取热敏电阻的阻值就可以确定当前电池的温度情况。如果电池温度超出安全使用的范围，则停止电池的使用。

负温度系数电流保护器

因为充放电电流和电芯的温度在电池设计中有很严格的安全性要求，所以即使有保护电路提供保护功能的情况下，也有必要采取多级电流保护电路。负温度系数电流保护器是专为电池设计的一款电流保护器件，当过流或者温度过高时它的阻值变为无穷大，从而断开回路起到保护的作用。

在正常工作模式下，当回路电流低于负温度系数电流保护器的保持电流值时，电流保护器将不动作且维持在很低的阻抗状态，从而保持回路的正常工作状态。当回路电流高于电流保护器的动作电流值，并且持续时间超过它的工作电流延时时间，电流保护器将开始工作，从低的阻抗状态变为高阻抗状态，从而阻止回路电流的通过。在过流保护状态下，当负温度系数电流保护器的两端电压为0V，并持续到它的复位时间，它将从高阻抗状态恢复到低阻抗状态。

COB

传统的电池保护电路多是采用分离元器件组成的，为了减少成本和便于控制，要求一家IC供应商将这些分离元器件封装在一块电路板上形成一个类似的单独器件。COB也是专门为Li离子电池设计的保护电路，它是传统保护电路上的各种分离元器件的简单集成，具有传统保护电路一样的保护功能。它的外形尺寸更小，安全性能更高，更便于控制。但是目前该技术是起步阶段，其成本比传统方法的成本稍贵。
电池标识

为了更好和手机配套使用以及保护专利使用，电池上有唯一的标识让手机识别，通常以热敏电阻阻值和EPROM数据作为识别信息。热敏电阻阻值识别是一种简单的方式，主要是选用不同阻抗的热敏电阻让手机识别，一般比较适合于低端的手机应用。采用EPROM记录电池信息的方式是比较复杂的方法，主要应用于高端手机。EPROM数据可以提供库存记录、版本号以及电池信息等。EPROM有足够的存储空间来记录电池充放电的数据信息，CDMA/GSM等手机使用电量的各阶段的门槛值，以及电池的综合信息等。

电池的充电和放电

有许多因素都会影响电池的充电，例如电芯的阻抗、充电电流与电压、环境温度以及电芯的种类。图2为Li离子电池的1C充电曲线图，充电器电压稳定在4.2V，采用1C的电流进行充电，红线为电流变化曲线，蓝线为电压变化曲线。对电池充电的各种试验结果表明，1C充电是对电池比较理想的充电方式。

                               
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图2 Li离子电池的充电曲线图

在充电时，镍氢电池的电量充电到饱幅时，其电压不再上升，进而自动停止充电，所以不需要充电保护电路。但是Li离子电池充电到饱幅时，它的电压会继续上升，进而引起电池过热，减少电池生命周期并损坏电池，所以Li离子电池一定要有过充电保护电路。一般情况下，充电器充电时也会提供限流和限压的功能，以使电池的使用寿命达到最大。

与充电相似，不同类型电芯的放电曲线也稍微不一样，但是电池容量的大小是放电特性的决定因素。图3为在室温下Li离子电池的0.2C放电特性曲线（放电过程是从右到左），对一个充饱电的电池来说，0.2C放电曲线上升很快直到电池的电压放至3.6V左右，然后放电的速度将逐步减慢。

                               
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图3 Li离子电池的0.2C放电特性曲线

当然环境温度对于电池的充电和放电特性都有很大的影响，一般情况下，合理充电的操作温度范围是从0～45℃，而放电的操作温度范围是从-10～60℃。

安全性

对于电池的不当使用，可能会造成电池的过热和漏液，进而损害身体或损坏其他设备。Li离子电池的电解液或凝胶体不管在水中还是空气里都是易燃物，并能生成有毒气体。所以在电池设计时，安全性是一个非常重要的环节。电池的安全性考虑会在电池的理论设计之前进行，包括了材料的选择能否符合要求，安全功能的设计是否符合要求等等。设计完毕后，各种电池性能的测试是否符合要求等等，这些要严格按规范要求进行。总之，对安全性的设计要优先于其他功能的设计。

考虑到用户可能遇到的不当操作，电池在实验室阶段会要求做各种跌落实验。在样品测试阶段，工程师则要根据电池可能会出现的失效模式进行失效及其影响分析，并保证量产的产品具有样品同样的品质。

ESD 和 RFI

ESD静电测试将验证产品的防护静电的能力，这也是一项重要的产品性能测试。静电测试标准参照IEC 61000-4-2标准。电池设计时，一般要求非接触静电测试可达到15KV，接触式静电测试能达到8KV，经过静电测试，电池的电气性能、特征和各种保护功能不能损坏，并且能够正常工作。

RFI电磁辐射干扰测试会模拟主设备和附件在电磁辐射环境下的工作状况，系统的电磁干扰能力要优于RFI测试标准。

结论

目前，Li离子电池已经成为一种很成熟的手机电池技术，它具有足够大的容量来满足GSM、CMDA以及其他款手机的通信功能。但是随着手机设计的性能不断增加和改进以及3G手机的引进，对于电池容量的要求越来越高。为了不断满足电池容量的要求，一方面在现有基础上不断提高工艺和设计水平，提高电池的容量，另一方面也要不断寻找新的原材料和新技术来获取更高的电池能量密度。电池的容量和性能将取得更大的进步，更好的满足市场的需求。

参考文献

Dr. George Thomas. 2004.  Cell Technology Application and Training.  www.motorola.com, Cell Technical Center.

Seiko Instruments Inc.  2004.  Battery Protection IC S-8241 Series Datasheet. www.seiko.com, Rev 4.0.

Scott Mosko.  2002.   PTC Overcurrent Protection Device. www.motorola.com.

Nicholas Cravotta. 2005. Understanding Battery Safety, avnet.national.com.  National Semiconductor and Avnet Electronics Marketing.

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