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电池无法颠覆突破,快速充电上演“围魏救赵”大戏

文章出处:捷配电子市场网 发布时间: 2017/04/06 | 681 次阅读

  锂电池是整个数码设备生态系统中最薄弱的一环,续航能力成为巨大挑战,在目前没有比锂电池更好的电池新技术应用前,如何实现锂电池的快速充电成为解决问题的关键。除了三星,包括华为、Oppo、Vivo、小米等国内外主流3C企业都在积极布局快充技术,并成为其市场营销的最大卖点之一。
  快速充电标准加速统一与普及
  目前快速充电标准处于战国时代,许多芯片厂商与手机厂商推出了各种充电技术,如高通Quick Charge 4.0/3.0快充、联发科MediaTek Pump Express快充、Oppo VOOC闪充、一加Dash快充、华为SuperCharge超级快充、TI MaxCharge快充等。
  这些标准除了各有特点与优势外,最主要的问题是各自为战,在线缆及充电头上都有一定的特殊性,电源芯片管理也具有不同之处,缺乏通用性,给快充普及带来不利影响。
  可喜的是,推广、制订USB(通用串行总线)的非营利组织USB-IF(USB开发者论坛)公布了USB PD (Power Delivery) 3.0 的最新更新内容,统一了快速充电技术规范的PPS (Programmable Power Supply,可编程电力供给),为数码设备跨厂牌快充的愿景,提供了一定的基础。
  USB-IF公布的USB PD (Power Delivery) 3.0 的最新内容,当中纳入了高通(Qualcomm)的Quick Charge 4.0/3.0、OPPO VOOC、联发科Pump Express 3.0/2.0,还有华为SuperCharge等快充解决方案。同时,USB PPS还和我国工信部的泰尔实验室达成了共识,预计将与国标实现统一。
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  在规范方面,USB PD 3.0在加入PPS之后,输出电压范围从5V调整到3.0V~21V;而可调整电压幅度则是20mV,可以实现低压大电流直充。并且不允许USB连接埠不透过USB PD的协议来进行电压调整。USB PD 3.0标准将进一步推动业界研发支持PPS技术的芯片以及解决方案。而全球的数码设备特别是智能手机用户将有可能在2017年或稍后体验到电源充电器统一带来的便利性。
  此前,Android手机阵营因为欧盟的强制规定,也曾体验过凡micro USB充电头几乎皆可通用的便利性。然而如今USB PD 3.0的重要更新,则进一步将手机快充也纳入进来,扩大了原先的领域。另外,谷歌在Android 7.0的OEM规范中就明确指出,快速充电必须基于USB PD而来,也算是倒逼PPS出台的一个因素。
  USB PD 可兼容5V/12V/20V 不同充电电压和 1.5A/2A/3A/5A不同充电电流,最大支持高达 100W 充电功率。同时,USB PD可以将电源线和信号线整合至同一条线缆内。除了能够给手机、平板等移动设备充电外,还可给笔记本等以前无法通过 USB充电的设备快速充电。USB PD设定了 10W、18W、36W、60W、100W五级充电规格,不仅充电功率强悍,更可以实现双向充电。
  USB Type-C 与 USB PD 协议共生,有望统一快速充电标准,而且随着USB Type-C接口的普及,将推动快速充电技术的大规模应用。智能手机、平板电脑、笔记本电脑等所有的数码设备都有望实现充电器和数据线的统一。
  快速充电技术
  近十年,数码设备特别是智能手机硬件以飞快的速度发展,CPU从低频单核,到现在的高频多核,伴随着性能飞速提升的同时,续航能力越来越成为数码设备最大的瓶颈。
  而锂电池技术这么多年来基本处于原地踏步状态,在电量不够用的情况下,如何解决电池的续航问题成为关键。快速充电技术可谓锂电池在应用上的一次创新,只需要十几分钟的充电过程就可以达到普通充电一小时左右的程度,大大提升了充电效率,也利于用户利用零碎时间给数码设备充电。在电池容量无法得到颠覆性突破的情况下,快速充电技术成为解决消费者应用痛点的迂回之策。
  中国信息通信研究院对快速充电的定义是:30分钟充电进入电池的平均电流大于 3A 或者 30 分钟充电电量大于 60%。
  快速充电主要是保证锂离子(Li+)快速地从正极嵌出并快速的嵌入负极,不能造成锂离子(Li+)的沉积。
  快速充电技术三种不同的实现形式:
  (1)电压不变,提高电流;
  (2)电流不变,提升电压;
  (3)电压、电流均提高。
  快速充电是一个系统的综合工程,快速充电系统包括快充标准,快充电源适配器,接口 E-marker芯片,线缆,数码设备芯片,电池等多个部分。各部分都必须针对不同标准专门设计,才能实现快速充电功能,并且保证充电安全。
  快充适配器:需要专门适配器将交流电降为所用快充协议规定的电压电流,并提供足够安全保证。
  快充线缆:需要能承载 5A甚至更高的大电流,并且搭载接口芯片做识别、认证和保护。
  数码设备芯片:对电源管理 IC和处理器提出更高要求,支持在数码设备软件界面充电类型选择和保护。
  快充电池:使用专门的快速充电电芯,充电倍率(充电电流/电池电量)至少在 1.5C以上。
  快速充电作为提升用户使用体验的微创新,未来将逐步得到普及。无论在数码设备还是新能源汽车上,快速充电作为一种能够实现加速充电、减少等待时间的技术,在产业链逐步成熟的情况下,将得到越来越多的应用。
  快速充电技术的挑战
  快速充电技术对于锂电池材料、系统组成结构等方面都提出了更高要求和挑战。快速充电过程中,确保设备安全性和传输数据的稳定性对于数码产品来说是极具挑战的。
  快充是一个系统的综合工程,既要材料配合,电池结构设计也相应要改变,还需匹配大功率充电器,并不是所有的电池都适合快充。
  既然是快充,那么未来的发展方向自然是比快更快。低压快充方案未来的最大发展瓶颈在电池上。充电器的输出功率可以做到很大,但怎么让电池能够都承受住这么大的电流输入是需要考虑的。
  高压快充方案,除了要解决电池问题外,未来还需要解决快充时所带来的发热问题。比如手机充电时转换效率基本在80%左右,最多也就90%,这就意味着还有10%没有转换的能量会变成热量。这部分热量导致设备发热。由此可能引起用户对于安全问题的担忧。
  假设在高压快充方案下,将充电器输出功率提升到70W,在手机降压电路处的转换损耗按照损失10%来计算,发热将达到7W。而这是一个非常夸张的数字,解决难度不小。因此做好热管理是实现快充的基本要求。
  快充技术实质是将尽可能多的电量塞进锂电池里,不断挑战电池技术的材料和设计的物理极限,同时也在间接威胁着电池的使用安全和寿命。
  快充是通过电压电流转换来实现的,在保证安全的前提下寻求更高效的转换技术本身就是行业瓶颈。如果不能保证安全,再高效的快充技术都是无用的。
  小结:在数码产品有限的空间里以及电池容量很难提升的情况下,使用快充技术显得非常必要,但我们需要在保证不影响电池可靠性等因素的基础上发展快充技术。随着电池技术的突破配合成熟的快充技术,将推动数码产品的更快速发展。

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