固態(tài)電池時代下的PMIC是什么樣的？
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發(fā)布時間：2024-10-18
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(yù)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(yù)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。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(yīng)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(dǎo)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(yīng)的保護措施，延長電池的使用壽命。當(dāng)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(yīng)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(yù)測可能出現(xiàn)的過熱情況，并采取相應(yīng)的預(yù)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(zé)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(xué)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(dāng)充電電壓超過4.2V時，PMIC應(yīng)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(xué)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(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(dān)心熱量累積問題。成本上，雖然高效率的PMIC可能需要更復(fù)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。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(fù)雜可配置能力整合在一起。針對固態(tài)電池的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)今系統(tǒng)更復(fù)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(dāng)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(dāng)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(yīng)調(diào)整，以讓其釋放最佳的性能表現(xiàn)。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(yīng)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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