为便携式通信设备选择最佳电池方案

便携式通信设备越来越小巧，正确地选择电池对产品开发的成功至关重要。本文介绍了各种通信设备对电池的要求，以及不同充电电池的优缺点及其适用场合，以便帮助工程师选择其便携式设计的最佳电池方案。

在设计便携式和无线通信设备时，工程师有多种电池解决方案可以选择，包括镍氢电池(Ni-MH)、锂离子电池、聚合锂电池(PLB)和高级锂电池(ALB)等。同时，随着消费者对造型精美的小型便携式通信设备的需求日益增长，超薄型聚合锂电池和聚合体电池越来越受欢迎。但是，对于不同的便携式设备来说，它们适用的最佳电池方案也不相同。

没有一种电池可适用于所有的便携式产品。每种电池都有自己独特的优点，在挑选时应认真考虑。不同的应用对电池有着不同的要求，不过有几点是电池设计者应该考虑的：外型尺寸、电压、能量密度、温度性能、耗电率及充放电次数。

在笔记本电脑中的应用

工作时间是笔记本电脑设计的首要考虑问题。由于笔记本电脑工作时温度高、处理器速度快并带有CD-ROM和DVD等配置，它需要非常强大的功率，镍氢电池几乎无法满足这些要求。锂电池18650(直径为18毫米，长度为65.0毫米)是目前市面上能量密度最高、同时最为经济的电池，它用于多数笔记本电脑中。随着超薄笔记本电脑和亚笔记本电脑(sub-notebook)的日渐流行，棱柱形锂离子电池也凭借其小巧的外形跻身进入笔记本电脑设计行业。

随着各种超薄电池的出现，设计工程师开始研究如何将其更好地装配到设备中。例如，PLB和ALB的厚度仅为3毫米，而且可降低至1毫米，十分适用于小型设备。因此，PLB或ALB可以嵌入到液晶显示器(LCD)和笔记本电脑的外壳之间，它既可作为小型笔记本电脑的主电源，也可作为大型高端笔记本电脑主电源的备用电源。

多数领先的电源厂商同时生产LCD面板，结合这两种技术它们可推出更具优势的产品，而装配厂商只需光顾一家供应商便可购到集成了LCD、电池和上盖(top cover)的笔记本电脑的整个部件。

在手机中的应用

由于面临着价格压力，过去许多手机厂商都选用镍氢电池以便降低成本。不过近年来手机已成为一种时尚物品，许多产品都具有可替换的个性化外壳及精美的外型。

随着手机尺寸不断减小，镍氢电池的标准也从AA发展到AAA和长AAA。中低端手机开始采用棱柱型镍氢电池，多数高端产品则选用棱柱型锂电池。锂电池的价格大幅降低后，它们迅速成为中档手机(有人甚至称之为赠品手机)的标准配置。

ALB和PLB技术也在不断发展。标准锂电池的厚度为4.8毫米到14毫米，可满足当前多数手机的要求。不过，集成了蓝牙或MPEG4的新型超小产品和手机需要更多的空间来容纳额外的电路，因此它们需要尺寸更小的ALB和PLB电池。这些电池的能量密度与棱柱型锂电池相当(如图1所示)，目前厚度仅为约3毫米。

当手机演变为一种集成了邮件收发、拍照、视频和无线数据传输等功能的“通信工具”后，它们耗电更多、电池使用寿命更短，因而对电池的选择也就更为严格。多数消费者都不希望由于增加了功能而缩短电池的使用寿命，因此手机设计工程师必须积极寻找方法提高电池电量。

在PDA中的应用

由于PDA的外形多变并且有多种电源可供选择，工程师在设计时面临的困难更大。他们必须考虑一系列问题，如：这款产品是否需要放进衬衫口袋中；是否具有联网功能；是否具有手机功能以及使用何种操作系统。设计者在选择电池时，必须考虑所有这些问题。

第一个问题是选择普通电池还是充电电池。对于一些不带手机或联网功能的初级产品，在选择时只需要考虑成本问题，因此碱性电池是首选。如何设计PDA使之达到最佳价位已成为设计人员的一个主要目标。如果PDA内置可充电电池，其销售价格势必提高。如果PDA的价格超过了消费者的心理价位，他们便不会购买，因此制造商也可选用不可充电电池或产品本身不带电池，而是让消费者自己选择。

目前市场上一些PDA产品具有联网、电话、MPEG、蓝牙及MP3功能，可迅速地耗尽电池。如果这些产品选用的不是充电电池，那么普通消费者便会成为电池“消耗者”，他们不得不频繁更换电池以便享用这些性能。此外，为了节省电池用量，消费者便会尽量不使用PDA的无线功能。PDA制造商最终都希望客户能尽量使用这些无线功能，这样通过它们与无线网络服务商的合作协议，可获取一定收益来抵消相关设备部件的成本，这点与手机厂商一样。一旦这点成为事实，手机和PDA之间的界线便会变得模糊。

现在多数PDA采用锂电池或ALB和PLB技术。那些可装进衬衫口袋的小型设计可选择ALB和PLB。设计工程师可将ALB和PLB嵌入PDA的塑料外壳下，以便节省出尽可能多的空间，而这样做仅会使总厚度增加3毫米。

在电动工具中的应用

电动工具的工作环境与其它设备大不相同，它的耗电率较为特殊。电动工具的电流可达50A，而手机的耗电率仅为500mAh。锂电池、PLB和ALB等新型电池无法承受这样的电流消耗，因而此类设备只能选用镍氢电池。近年来，镍氢电池有了很大的改进，可满足此类产品的电流需求，不过对于多数电动工具厂商来说，这些电池使用寿命仍是个问题。镍氢电池的充放电次数为500次，而镍镉电池为1,000次。

镍氢电池的价格比同类的镍镉电池贵30%到50%，因此主要用于高端设备中。大批量生产的电动工具，如电动螺丝起子和电钻的价格竞争十分激烈，因此普通用户不会考虑镍氢电池，尽管它的使用时间较长。而专业工具则开始使用镍氢电池，这样建筑工人和其它专业工人在一次充电后可使用较长时间。

在便携式扫描仪中的应用

便携式设备市场呈现高度细分的趋势，要针对不同的目标客户选用各种不同的电池。例如，便携式扫描仪可使用从镍镉电池到PLB的每种电池。用于仓储和货运服务的扫描仪通常使用能量密度较高的锂电池，与笔记本电脑用的电池类似。店内扫描仪则使用成本较低的镍氢电池或镍镉电池，因为它们使用时间较短。

此外还有各种无线设备，包括从注重外型和重量的穿戴式电脑到集成了40到50个电池的军用无线电充电基站。穿戴式电脑、因特网应用设备及电子图书等系统都可应用锂电池、ALB或PBL技术，具体使用则视设备体积而定。如充电站和地面移动无线电等大型系统通常选择目前市面上能量密度最高的锂电池18650，而无线蓝牙设备，如无线头盔式耳机则会内置硬币式锂电池及PLB或ALB。

各种电池的优缺点

1. 镍镉电池是本文提及的各种充电电池中最早开始量产的，因此它也最为坚固耐用。每块镍镉电池的电压为1.2V，多数应用需要多个电池串联或并联才能满足要求。镍镉电池最让人头疼的问题是它具有记忆效应，这一点严重限制了它在高端设备中的应用。

考虑到回收和环保问题，镍镉电池在其它产品中的应用也较少。与其它电池相比，镍镉电池的耗电率、使用寿命都非常令人满意，而且在极差的温度条件下也能保持良好性能。但是，尽管镍镉电池比较经济，它的电量也较低。相同的镍镉电池工作时间大约只有镍氢电池的一半，因此多数镍镉电池都沉重且体积庞大。

2. 镍氢电池没有镍镉电池那么坚固耐用，在能量密度上也无法与锂电池竞争，但与镍镉电池相比它具有更佳的性价比。镍氢电池的电压与镍镉电池相同，每块电池为1.2V。由于主要的电池应用市场如笔记本电脑及手机开始转为使用锂电池，镍氢电池的研发有所放缓，从理论上说，现有镍氢电池的电量也快接近其极限。因此，目前的研发主要是增强其耐用性，以便适用于电动工具和混合电动汽车等其它市场。

3. 从锂电池开始量产至今已将近十年。由于日益成熟，锂电池也变得更为坚固耐用，价格也有所下降。单个锂电池的电压为3.7V，与三节镍镉电池或镍氢电池一样。能量密度高和自放电低是锂电池在市场上的宝，目前这种电池还开发增加了许多新的性能。例如，锂电池厂商正在开发无需保护电路的产品，以便进一步降低其成本。

从结构来看，锂电池可划分为圆柱型和棱柱型两种。圆柱型锂电池是所有充电电池中能量密度最高的，它们的直径通常为17-18毫米，长度为50-67毫米。由于笔记本电脑技术的更新换代紧跟半导体技术的发展，人们不断开发能在一定的封装中容纳更高电量的锂电池。在过去两年间，18650锂电池的电量从1,350mAh发展为1,600mAh、1,800mAh，目前已达1,950mAh。2002年还将发展到2,150mAh.

与圆柱型锂电池相比，棱柱型锂电池的外形较小，同时能量密度较低，它们主要用于薄型的笔记本电脑和手机。棱柱型锂电池有各种外形，厚度从4.8毫米到14毫米不等，长度为40毫米到67毫米，宽度范围则为30毫米到34毫米。

4. ALB电池与棱柱型锂电池的电压(3.7V)和能量密度大致相同，不过它采用一种超薄铝箔封装。由于其电解质不可燃烧，ALB比标准锂电池安全，此外它在恶劣环境下性能较为稳定。

与锂电池相比，ALB的主要优势在于其超薄设计。ALB的厚度可薄至1毫米，电量则可高达1,500mAh(如图2所示)。与PLB及棱柱型锂电池相比，ALB电池不易膨胀(swell)(在恶劣条件下不到0.1mm)并具有极佳的低温特性。例如，在摄氏零下20度时，ALB能保持超过50%的剩余电量。

ALB不久前才实现量产，因此与锂电池相比价格较高。不过，随着合格率和产量不断增加，价格便会逐渐下跌，从而与棱柱型锂电池相媲美或超越后者。由于ALB技术还十分新颖，因此它的能量密度会不断改进。

5. 除了电解质不同外，PLB技术几乎与ALB技术完全一样。PLB的电解质是聚合体，因此安全性更高，它不会象ALB那样发生电解液泄漏情况。然而，尽管随着研发的深入，PLB的性能会日益提高，但目前其低温特性不佳，而且较易膨胀。

PLB的外形也十分小巧，它采用与ALB类似的铝箔封装，电量也与ALB大致相同。在许多应用中会同时使用PLB和ALB作为双电源。

6. 今后三至五年内会出现更多的小型无线应用，IVR将成为无线头盔式耳机和手表式通信器等超小便携式设备的主要选择。从本质上来说，IVR技术就是将一个锂电池压缩到硬币大小的封装中。

硬币式锂电池的电量有限(尺寸为3.2×30平方毫米时为140mAh到150mAh)，不过已足够为这些小器件供电。尽管此项技术出现已有多年，但电池厂商目前才开始考虑量产，这主要是考虑到今后的需求较大。

电池技术的发展趋势

目前，无线应用发展十分迅速。电池厂商所面临的主要压力是如何为今后的便携式产品供电。预计今后的电池电量将会提高5到10倍，而目前只增加了10%到30%。

多数人认为今后会出现燃料电池。尽管燃料电池目前仍处于早期开发阶段，它却可以提供电池厂商渴望的电量。燃料电池投入使用后，在没有电源的情况下，消费者只需将其便携式设备插入一个燃料筒(如甲醇)便可进行连续充电。

如果将燃料电池与锂电池、ALB或PLB电池结合使用，消费者便可在有电源时利用电源进行充电，在平地、森林或沙滩上时则将燃料电池的电量灌注到电池中，而不用担心出现“电池不足”的提示。从技术和生产困难来看，燃料电池最早也得到2004年才能进入市场。同时，厂商还将开发其它多种技术，如高级太阳能电池和动力电池，从而改变充电电池市场现有的局面。

本文小结

随着电池性能不断改善以及各种新技术的推出，目前仍然没有一种电池可满足所有便携式设备的需求，因而要选择电池解决方案越来越困难。不过了解每种电池的优势及不足对于一项新产品设计的成败十分关键。随着产品设计越来越小、轻、薄，最终我们可利用各种电池技术和其外形来获得一种更为接近订制的电池解决方案。当各种无线产品越来越多时，原本传统的电池开发也逐渐成为一项十分前沿的技术。

作者：Ritch Russ

业务开发总监

显示器及元件部

东芝美国电子元件公司