固態(tài)電池時(shí)代下的PMIC是什么樣的？
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發(fā)布時(shí)間：2024-10-18
隨著(zhù)新能源汽車(chē)與儲能產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，也帶動(dòng)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(shí)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，各大電池廠(chǎng)商預計將在2027年左右實(shí)現全固態(tài)電池的量產(chǎn)，中試產(chǎn)線(xiàn)的建設預計在2024年至2026年期間完成并運行。
隨著(zhù)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(jìn)行革新，針對固態(tài)電池的特性，PMIC需要滿(mǎn)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(mǎn)足哪些要求
近年來(lái)，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)，其與傳統液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池相比具有顯著(zhù)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(lái)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，精確地調節和穩定輸出電壓，以滿(mǎn)足電池系統中各種負載的需求。例如，在電池充電時(shí)，需要將輸入電壓轉換為適合電池的充電電壓，并且要保持電壓的穩定性，防止過(guò)充導致電池損壞；在電池放電時(shí)，能將電池電壓轉換為負載所需的穩定電壓。并且在固態(tài)電池充放電的過(guò)程中，PMIC需要實(shí)時(shí)、精確地監測電流的大小和變化趨勢。這有助于及時(shí)發(fā)現電池的過(guò)充、過(guò)放、短路等異常情況，從而采取相應的保護措施，延長(cháng)電池的使用壽命。當監測到電池充電電流過(guò)大時(shí)，PMIC可以自動(dòng)降低充電功率，防止電池過(guò)熱。除了硬件保護機制外，PMIC 還應具備軟件保護算法，通過(guò)對溫度數據的分析和處理，提前預測可能出現的過(guò)熱情況，并采取相應的預防措施。比如可以根據電池的溫度變化趨勢，提前調整充電功率或放電功率，避免溫度過(guò)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(xué)行為，包括可能不同的充電曲線(xiàn)和溫度敏感性。例如對于常見(jiàn)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(guò)4.2V時(shí)，PMIC應該自動(dòng)切斷充電電路。此外，高效的DC-DC轉換器是必需的，以確保從電池到負載的電力轉換盡可能高效，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(xué)的研究表明，通過(guò)優(yōu)化界面，可以實(shí)現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(shí)，0.25
mA/cm2的臨界電流密度顯示出更高的穩定性，庫侖效率可達99.9%。這意味著(zhù)在實(shí)際應用中，固態(tài)電池可以在較高的電流密度下穩定工作，從而實(shí)現高效的電流傳輸。當然，這對于PMIC而言是個(gè)好消息，由于固態(tài)電池能量轉換效率的提升，讓PMIC產(chǎn)生的熱量減少，這降低了對散熱系統的要求。同時(shí)，高效率增加了PMIC在設計上更多的靈活性，可以選擇更高頻率的操作來(lái)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(wèn)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(huì )得到優(yōu)化。如今許多PMIC都將多軌降壓、升壓及LDO穩壓功能與每個(gè)電軌參數，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，比如小到可穿戴設備，大到新能源汽車(chē)、儲能電站等，這些產(chǎn)品通常都會(huì )有一個(gè)電源以及一個(gè)或多個(gè)
DC 電軌。盡管許多應用在一定程度上具有類(lèi)似的優(yōu)先級，但優(yōu)先級的排序及其相對權重決定了這些應用的差異。需要注意的是，就單個(gè)DC電軌管理以及這些電軌之間的關(guān)系、定時(shí)和操作要求而言，不存在同時(shí)滿(mǎn)足所有情況的最優(yōu)PMIC解決方案。例如對于可穿戴設備，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(cháng)手表的續航能力，PMIC需要采用高效的DC-DC轉換器，例如高達95%以上的轉換效率。同時(shí)，考慮到手表內部空間有限，PMIC設計應盡量減少熱量產(chǎn)生，或設計有效的散熱路徑。高度集成的PMIC將充電管理、電源調節、保護電路等功能整合在一個(gè)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(shí)自動(dòng)切換到超低功耗模式，進(jìn)一步延長(cháng)電池使用時(shí)間。而在便攜儲能產(chǎn)品應用上，這類(lèi)設備通常包括便攜式電源站、戶(hù)外電源、電動(dòng)滑板車(chē)等，它們通常需要比智能手表更大的功率輸出，同時(shí)也需要較長(cháng)的運行時(shí)間和較快的充電速度。這類(lèi)便攜儲能設備的固態(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，并能夠提供穩定的輸出電壓給不同的負載設備。支持快速充電協(xié)議（如QC4.0+、PD3.0），使得儲能設備可以在短時(shí)間內充滿(mǎn)電。同時(shí)，確保在快速充電過(guò)程中，電池的溫度控制在安全范圍內。同時(shí)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(jìn)行數據交換，允許實(shí)時(shí)監控電池狀態(tài)，并進(jìn)行必要的調整。顯然，為滿(mǎn)足當今系統更復雜的需求，PMIC必須加大其輸出范圍，提升其原始DC性能，改進(jìn)其附加功能，并提高用戶(hù)定義的靈活性。當前市場(chǎng)中如TI、Qorvo等公司都推出了不少優(yōu)秀的PMIC產(chǎn)品，可以滿(mǎn)足未來(lái)固態(tài)電池時(shí)代下對PMIC的性能要求。當然，未來(lái)隨著(zhù)固態(tài)電池的正式推出，對PMIC的設計也將做出相應調整，以讓其釋放最佳的性能表現。固態(tài)電池需要一個(gè)定制化的PMIC來(lái)管理其獨特的屬性，包括但不限于高效率的電源轉換、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(zhù)固態(tài)電池技術(shù)的進(jìn)步，PMIC的設計也將繼續演進(jìn)，以滿(mǎn)足更高性能和更安全的標準。
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