可穿戴设备和其他小型系统的电池充电安全

　　物联网将改善现代生活的几乎各个方面。通过收集和分析大量数据，物联网可以帮助我们管理身体健康、减少在家居和工作场所的能源消耗、监测和改善我们所在的环境等等。

　　物联网的潜在应用十分广泛，但它们也有一些共同的重要特征。用于收集数据的设备需要体积小、易于使用且几乎随时可供使用。这些要求可能在可穿戴设备上最为明显，全世界有数以百万计的人已经在使用可穿戴设备来跟踪活动、监测身体指标和改善健康。

　　为了收集所需的数据，消费者必须将可穿戴设备持续戴在身上。因此，它们必须小巧而舒适，并能长时间连续工作。智能家居传感器节点和其他物联网应用也面临相似的要求。

　　这产生了如何为这些设备供电的问题。理想的情况是，它们可以直接从所处的环境中获得能量，这样它们可以始终保持有电。虽然我们已经在降低功耗和改善能量采集上取得了很大进步，但距离实现理想还有一定差距。在可预见的未来，我们还需要依靠电池作为主要电源。特别是，为了最大限度减少由数十亿设备造成的能源浪费，在未来一段时间，可充电电池应该是首选电源。

　　可穿戴设备的自然选择

　　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第一考虑因素。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3.7V，相比之下，镍氢或镍镉电池只有1.2V。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。

　　最近的头条新闻也显示，锂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或爆炸。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。但锂电池的充电过程仍然比基于镍的充电电池复杂的多。

　　锂电池：实现舒适方便的可穿戴设备

　　小电池，长续航时间，高能量密度

　　更高工作电压意味着更少的电芯和更小的系统

　　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。

　　为了获得最佳充电效果，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，导致永久损害、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4.2V。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。

确保安全

　　由于这一复杂性，充电解决方案必须能够密切监测充电电流和电压，并提供稳定的控制回路，使充电电流和电压在充电循环的合适时点保持合适的值（亦即使电流在第一阶段保持恒定，电压在第二阶段保持恒定）。

　　另外还需要按照严格的标准对充电解决方案进行全面的测试。这些标准包含的测试条件比镍基充电电池所需的更广泛，同时还包括与电池本身相关的测试。

　　JEITA规范

　　日本电子信息技术产业协会（JETIA）制定了关于锂离子电池使用和充电的规范。虽然该规范只是指导性规范，而非认证机构的严格标准，但业内普遍认为该规范有助于确保锂离子电池的安全使用。

　　如图1所示，JEITA规范定义了最低温度（T1）、最高温度（T4）和位于二者之间的三个温度区（低、中、高），以确保充电安全。

图1：为保证锂电池充电安全，JEITA规范规定的温度区