電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/黃山明)隨著新能源汽車與儲能產(chǎn)品的迅猛發(fā)展,也帶動了多家產(chǎn)業(yè)鏈公司加速固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化布局,包括上汽集團、寧德時代等企業(yè)都宣布了全固態(tài)電池的量產(chǎn)計劃。全球范圍內(nèi),各大電池廠商預計將在2027年左右實現(xiàn)全固態(tài)電池的量產(chǎn),中試產(chǎn)線的建設(shè)預計在2024年至2026年期間完成并運行。
隨著固態(tài)電池量產(chǎn)日期的臨近,針對固態(tài)電池的PMIC也需要在技術(shù)上進行革新,針對固態(tài)電池的特性,PMIC需要滿足特定的要求以確保電池的高效和安全運行。
固態(tài)電池的PMIC需要滿足哪些要求
近年來,固態(tài)電池技術(shù)不斷取得突破。作為一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池技術(shù),其與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池相比具有顯著的安全性和能量密度優(yōu)勢。然而,為了充分利用固態(tài)電池的潛力,需要相應的PMIC來確保電池的有效管理和安全使用。
通常固態(tài)電池的輸出電壓范圍較寬,需要PMIC要能在不同的充放電階段,精確地調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓,以滿足電池系統(tǒng)中各種負載的需求。例如,在電池充電時,需要將輸入電壓轉(zhuǎn)換為適合電池的充電電壓,并且要保持電壓的穩(wěn)定性,防止過充導致電池損壞;在電池放電時,能將電池電壓轉(zhuǎn)換為負載所需的穩(wěn)定電壓。
并且在固態(tài)電池充放電的過程中,PMIC需要實時、精確地監(jiān)測電流的大小和變化趨勢。這有助于及時發(fā)現(xiàn)電池的過充、過放、短路等異常情況,從而采取相應的保護措施,延長電池的使用壽命。當監(jiān)測到電池充電電流過大時,PMIC可以自動降低充電功率,防止電池過熱。
除了硬件保護機制外,PMIC 還應具備軟件保護算法,通過對溫度數(shù)據(jù)的分析和處理,提前預測可能出現(xiàn)的過熱情況,并采取相應的預防措施。比如可以根據(jù)電池的溫度變化趨勢,提前調(diào)整充電功率或放電功率,避免溫度過快上升。
需要注意的是,雖然PMIC負責電池的充電、保護和狀態(tài)監(jiān)控,智能化地管理電池健康和壽命。但固態(tài)電池的管理需要考慮到其特有的電化學行為,包括可能不同的充電曲線和溫度敏感性。例如對于常見的鋰離子固態(tài)電池典型工作電壓范圍可能是2.7V至4.2V,當充電電壓超過4.2V時,PMIC應該自動切斷充電電路。
此外,高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器是必需的,以確保從電池到負載的電力轉(zhuǎn)換盡可能高效,減少能量損失。
并且由于固態(tài)電池的電流傳輸效率可以非常高,代爾夫特理工大學的研究表明,通過優(yōu)化界面,可以實現(xiàn)2.47×10^-4 S/cm的室溫電導率。對于LiFePO?-鋰金屬固態(tài)電池,在室溫下循環(huán)時,0.25 mA/cm2的臨界電流密度顯示出更高的穩(wěn)定性,庫侖效率可達99.9%。這意味著在實際應用中,固態(tài)電池可以在較高的電流密度下穩(wěn)定工作,從而實現(xiàn)高效的電流傳輸。
當然,這對于PMIC而言是個好消息,由于固態(tài)電池能量轉(zhuǎn)換效率的提升,讓PMIC產(chǎn)生的熱量減少,這降低了對散熱系統(tǒng)的要求。同時,高效率增加了PMIC在設(shè)計上更多的靈活性,可以選擇更高頻率的操作來減少外部組件(如電感器和電容器)的尺寸,或者可以集成更多的功能而不必擔心熱量累積問題。
成本上,雖然高效率的PMIC可能需要更復雜的制造工藝和更昂貴的材料,但由于減少了對其他組件(如散熱器)的需求,總體成本反而可能會得到優(yōu)化。
固態(tài)電池PMIC的實際應用
如今許多PMIC都將多軌降壓、升壓及LDO穩(wěn)壓功能與每個電軌參數(shù),以及與其他電軌間交互的復雜可配置能力整合在一起。針對固態(tài)電池的應用,比如小到可穿戴設(shè)備,大到新能源汽車、儲能電站等,這些產(chǎn)品通常都會有一個電源以及一個或多個 DC 電軌。盡管許多應用在一定程度上具有類似的優(yōu)先級,但優(yōu)先級的排序及其相對權(quán)重決定了這些應用的差異。
需要注意的是,就單個DC電軌管理以及這些電軌之間的關(guān)系、定時和操作要求而言,不存在同時滿足所有情況的最優(yōu)PMIC解決方案。
例如對于可穿戴設(shè)備,優(yōu)先考慮因素包括低靜態(tài)電流、高效率和超緊湊的外形。為了延長手表的續(xù)航能力,PMIC需要采用高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器,例如高達95%以上的轉(zhuǎn)換效率。同時,考慮到手表內(nèi)部空間有限,PMIC設(shè)計應盡量減少熱量產(chǎn)生,或設(shè)計有效的散熱路徑。
高度集成的PMIC將充電管理、電源調(diào)節(jié)、保護電路等功能整合在一個芯片上,減少手表主板上的空間占用。以及支持多級低功耗模式,例如在手表處于靜止狀態(tài)時自動切換到超低功耗模式,進一步延長電池使用時間。
而在便攜儲能產(chǎn)品應用上,這類設(shè)備通常包括便攜式電源站、戶外電源、電動滑板車等,它們通常需要比智能手表更大的功率輸出,同時也需要較長的運行時間和較快的充電速度。
這類便攜儲能設(shè)備的固態(tài)電池可能使用的是多串電池組,例如3.6V到14.4V(通常是4節(jié)鋰離子電池串聯(lián)),PMIC需要支持這一較寬的電壓范圍,并能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓給不同的負載設(shè)備。
支持快速充電協(xié)議(如QC4.0+、PD3.0),使得儲能設(shè)備可以在短時間內(nèi)充滿電。同時,確保在快速充電過程中,電池的溫度控制在安全范圍內(nèi)。
同時需要提供標準的通信接口(如I2C、SPI、USB-C PD等),以便與主控制器或其他管理單元進行數(shù)據(jù)交換,允許實時監(jiān)控電池狀態(tài),并進行必要的調(diào)整。
顯然,為滿足當今系統(tǒng)更復雜的需求,PMIC必須加大其輸出范圍,提升其原始DC性能,改進其附加功能,并提高用戶定義的靈活性。
當前市場中如TI、Qorvo等公司都推出了不少優(yōu)秀的PMIC產(chǎn)品,可以滿足未來固態(tài)電池時代下對PMIC的性能要求。當然,未來隨著固態(tài)電池的正式推出,對PMIC的設(shè)計也將做出相應調(diào)整,以讓其釋放最佳的性能表現(xiàn)。
小結(jié)
固態(tài)電池需要一個定制化的PMIC來管理其獨特的屬性,包括但不限于高效率的電源轉(zhuǎn)換、精確的電流控制、智能的電池管理以及適應其特定需求的其他功能。隨著固態(tài)電池技術(shù)的進步,PMIC的設(shè)計也將繼續(xù)演進,以滿足更高性能和更安全的標準。
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