智能可穿戴设备作为消费电子行业的一个新兴领域,其产品种类繁多,包括智能手环、智能手表、蓝牙耳机、 TWS耳机等,主要应用于运动、医疗和娱乐领域,同时还具有环境智能识别、无线数据传输、云计算等技术亮点,在软件生态、数据收集、人机交互等方面具有巨大优势。
虽然物联网潜在应用,但是它们也具有一些共同的重要特征。采集数据所用的设备必须是小巧、易用、几乎随时可用的。这类需求可能在可穿戴设备中较为明显,因为世界上已有数百万人在使用可穿戴设备来追踪活动、监测生理指标并改善健康状况。
要收集所需数据,消费者必须不断地佩戴可穿戴设备。所以,这些设备必须是小而舒适的,并且能够长期持续的工作。
这样就造成了这些设备如何供电的问题。理论上,他们可以直接从周围的环境中获取能量,这样他们就能一直保持电力。尽管在降低功耗和改进能量采集方面我们已经取得了很大的进展,但是距离实现理想还有一定的差距。我们还需要依靠电池作为可预见未来的主要能源。尤其是,要想将数十亿设备造成的能源浪费降到低,未来一段时间内,可充电电池应该成为电源。
可穿戴设备不仅尺寸很受限制,而且由于需要长期穿戴,舒适性也很重要,因此它们还必须非常轻,所以电池就必须尽可能小。不仅如此,IDC和GMI进行的反复研究表明,电池续航时间是消费者购买电池供电式便捷产品的首要考虑因素。因此,高电池容量对产品获得成功非常重要。
同时满足这两个要求使得电池面临的挑战更加艰巨。幸运的是,锂电池的许多特性使它们能够克服这一挑战,从而成为可穿戴设备应用的理想选择。
首先,它们提供高能量密度,允许系统设计工程师选择更小更轻的电池,而且能提供更长的工作时间。同时,锂电池的工作电压通常为3.7 V,相比之下,镍氢或镍镉电池只有1.2 V。这意味着锂电池需要更少的电芯(cell),这也有助于实现更小更轻的系统。另外,它们的自放电率也远低于基于镍的电池,约为每月2%,而镍氢和镍镉电池高达每天5%。这样不仅能够减少充电次数,而且电池放置很长时间后也能随时再次使用,从而使系统更加便于客户使用。
当然,所有技术都有自身的缺点。例如,锂离子电池的制造比基于镍的充电电池更复杂,所以价格更贵。但作为一种大量生产的产品,规模经济和持续的技术改进正在快速降低其制造成本。
头条新闻也显示,锂离子电池具有更大的潜在安全风险。由于使用易燃电解质,所以如果充电电压过高或过低都有可能导致起火。不过,大多数锂离子电池都有内部保护电路,可以在一定程度上防止过压或欠压。但锂离子电池的充电过程仍然比基于镍的充电电池复杂的多。
锂离子电池:实现舒适方便的可穿戴设备
1.小电池,长续航时间,高能量密度
2.更高工作电压意味着更少的电芯和更小的系统
3.更慢的自放电:更少的充电次数,随时可供使用
充电挑战
为避免这些安全问题,锂离子电池需要恒流(CC)、恒压(CV)的充电过程。在此过程中,电池首先以固定电流充电,直至达到设定电压。然后,充电电路切换到恒压模式,从而提供必要的电流,以维持设定电压。
为了获得充电效果,必须对电流和电压水平的选择做出精心的权衡。以较高电压充电可以增加电池容量,但电压过高会造成电池受压或过充,导致损害、不稳定性和危险。同样,较高充电电流可以加快充电速度,但代价是减少电池容量:充电电流降低30%可以使电池储存的电荷量增加10%之多。
因此,充电电流通常设置为电池容量(电池能持续供电一小时的最大电流)的一半,电压设置为每个电芯4.2 V。不过事实证明,使用略小的充电电流及电压可减缓电池老化,使其能够以更高的蓄电量度过更多的充电循环。