电子与系统

182018年XNUMX月

5G是运营商今年晚些时候开始部署的现有LTE无线网络的演进。

是的,这将是 国际 网络,全球的每个地理区域都将在将来的某个时刻加以利用。

是的,它将有 强大的功能,从几乎没有延迟的流媒体视频开始,并无缝处理大量已连接的设备(例如传感器)。

是的,它会的 镀锌 可能尚未想到的一组新应用程序。 试想一下,前几代人在推广社交网络,视频和其他十年前不可能实现的用途方面做了哪些工作。

是的,它将有 严重 对电池造成的后果。 网络对设备(尤其是手机或智能手机)的要求非常重要。 早期的结果表明,运行智能手机的芯片组的功耗要高出25到50%。

是的,努力将是 严罚 以提高电池的性能和安全性。

有关5G及其计划部署的文章很多。 不幸的是,覆盖范围往往集中在5G的优势上,而忽略了对电池的影响。 如果有的话,与目前的数据相反,在保证更长的电池寿命方面可能会产生误导。

下图(由Verizon Wireless提供)强调了5G的三个主要方面。 在通常位于600 MHz和900 MHz之间的低频段,5G将继续提供移动宽带,类似于智能手机或手持设备上的4G / LTE连接。 在这些频率下,网络将因物理原因而被限制为每秒数百Mbit的最大数据带宽。

5G引入了一组高达6 GHz的新频带,其中数据速率可以达到每秒一个或多个Gbit。 这些更高的数据速率将提供具有更快连接性的新服务,或者像Verizon Wireless所称的那样,增强移动宽带。

最后一个频率档高于24 GHz,此时数据速率现在可以达到10 Gbits每秒或更高。

关于电池,这里有三个要点。

首先,使用5G的数据流量将大大增加。 每一位数据消耗少量的电池电量。 尽管电子设备的电源使用效率越来越高,但这种效率与数据流量的大量增加无法匹敌,预计数据流量将比当前的数量高出1,000X。 毫无疑问,这将是对电池要求的第一压力,需要更高的电池容量和能量密度。

第二个观察结果比较微妙,但可能更有效。 5G网络以非常低的延迟提供了对时间和任务至关重要的新应用程序。 换句话说,数据从一台设备到另一台设备往返并返回到原始设备所需的时间(工程师称等待时间)将从现在的100毫秒(毫秒)左右减少到更少比10毫秒长。

谁在乎,你可能会问! 想象一下,高速公路上有两辆自动驾驶汽车以65 mph(105 km / h)的速度行驶。 在10毫秒内,车辆将行驶近一英尺(约30厘米)。 以100毫秒为单位的距离为十英尺或近三米。 这是避免发生碰撞或可能发生的悲剧性事故之间的区别。

但是低延迟意味着应用处理器(或CPU)的闲置时间将大大少于今天。 您会看到,电池供电的设备在很长一段时间内都依靠电子设备处于睡眠状态(不消耗电源)来节省电池。 因此,当处理器需要长时间唤醒时,它将对功耗以及电池产生重大影响。

第三个也是最后一个发现与3 – 6 GHz上的新频段以及24 GHz以上的频段有关。 物理学告诉我们,功耗随频率线性增加。 因此,仅从900 MHz频带扩展到6 GHz频带,就会导致功率增加5X。

此外,这些频率的波不会传播很远,并且会被建筑物和树木等物理障碍物大大衰减。 这种有限的传播要求网络运营商(如AT&T和Verizon)更加密集地安装更多天线。 这笔巨额资本支出无疑将需要时间。 因此,工作在较高频率的手机最肯定需要增加发射功率以克服衰减。 再一次, 电池受苦。

当然,可以肯定的是,随着时间的流逝,5G网络中的电源利用率将有所提高,制造商的效率将得到提高。 但是,5G的电源要求和对电池的影响极不可能与4G / LTE相似。 对电池的需求肯定会增加,并对电池的性能和安全性施加更多的限制。

242017年XNUMX月

如果特斯拉汽车公司在经过50,000英里的行驶后降低其旗舰特斯拉电动汽车的功率,那么整个世界将步步紧逼。 如果通用汽车在行驶若干英里后将Corvette发动机节流至4气缸,政府可能会进行调查。 那么,为什么当苹果限制iPhone上的处理器时,我们挠头而又不让苹果承担任务呢?

苹果正在限制处理器以延长电池寿命。 这是苹果自己承认的事实。 消费者抱怨过时的旧电池iPhone会过早关机。 了解这种行为背后的原因是2017上一篇文章的主题。

我首先说明电池的基本特性:其电压曲线。 电压曲线是电池电压与电池中存储的电量或百分比的关系(自然,100%表示充满,零表示电量耗尽)。 作为用户,您可以看到电池中剩余电量的量表读数,而不是电压。 我们关心这两个值(电荷和电压),因为其中任何一个都会导致智能手机关闭。

因此,让我们在下面的第一个图中更深入地了解一下,并了解电荷和电压之间的关系。 它是 电压曲线 用于未连接端子的新电池(未使用)。 该曲线被工程师称为开路电压,即没有电流流过。 人们会注意到,当电池从 (最左侧)到 空的 (最右边),电压逐渐下降直到达到“悬崖”。这种行为是锂离子电池的特征。 您会注意到电池电量耗尽时电压非常低。

现在,让我们检查将智能手机电子设备连接到电池时,该曲线会发生什么。 工程师称这种情况为“负载下”,因为电池现在为移动设备内部的电子设备供电,并且电流流过电池。 下图显示,在这种情况下,电压曲线实际上向下移动。 您仍然会注意到,电压的一般形状变化不大。 唯一的变化是现在的电压要低一点。 电流(负载)越大,偏移越大。 稍微改变电压是可以的,但是稍后我们会发现,大幅降低电压是不可以的。

在这里,我将做一点说明,以解释这种电压下降。 为此,我们需要回顾一些高中物理: 欧姆定律。 当电流流过电池时,实际电压降低的量等于电流乘以电池电阻的量。

根据欧姆定律,在此要得出两个关键结论:

  • 较高的内部电池电阻会导致较大的电压降;
  • 较大的电流(用于为智能手机电子设备和屏幕供电)也会导致较大的电压降。

如果您不记得自己的高中物理知识,这听起来可能很复杂,但请多多包涵。 到目前为止,您只需要记住电池的内部电阻即可。 新电池的电阻较小。 旧电池的电阻较大。 更快的处理器和更大的显示屏意味着更多的电流为设备供电。

因此,随着电池的老化,电压曲线将越来越向下移动-如下图所示-直到发生真正的不良情况。 电池的电压太低,以致它无法再操作智能手机的电子设备,尤其是在处理器或无线电电子设备需要更多功率的峰值条件下。 下面的红色曲线是针对6充放电循环后的旧Apple iPhone 600电池。 可以看到它现在大大低于新电池的电压曲线。 现在这会带来麻烦,因为电池电压低可能无法充分操作电子设备。

不,我们不能进入关键部分:这与Apple限制其iPhone的关系如何。

当电压下降到3.3或3.4 V以下时,大多数智能手机电子设备(尤其是无线电和无线组件)将无法运行。如果电池电压下降得太低,则智能手机实际上会过早关闭。

让我们在下一张图表中进一步说明这一点。 虚线绿色在3.35 V处(3.3和3.4 V之间的合理中间点)。 让我们首先关注黑色曲线(新电池的曲线)。 您会注意到电池电压刚好达到3.35V。 非常好。 这正是我们希望智能手机执行的操作。 我们希望它关闭,因为电池中没有剩余的电量,这对应于电量计读数为零。

但是在旧的iPhone 6(红色曲线)中,不会发生这种情况! 相反,即使电池中有剩余电荷,电池电压也无法为智能手机电子设备供电。 它表明旧的iPhone 6电池达到了低压点,而该电池仍保持约20%的电量。 这不好; 这表示这部iPhone实际上会过早关闭,而电池电量表的读数约为20%。 这就是使消费者困惑的地方。

到目前为止,我希望我不会在冗长的解释中让您迷惑不解,并且您会意识到旧电池会失去电压,从而导致过早关闭。

对于苹果而言,这尤其是一个严重的问题,因为苹果将其iPhone电池的评级为 500周期。 换句话说,经过500次充放电循环(或大约1 1/2年),iPhone电池已经充分退化,从而表现出上述的低压问题。

幸运的是,许多其他智能手机制造商选择使用电池和解决方案,以将电池的循环寿命延长至800甚至1,000个循环–至少需要2年或更长时间。 索尼Xperia 例如,智能手机确实为电池提供了比500循环更长的循环寿命。

那么,为什么苹果要节流他们的旧iPhone? 当iPhone处理器全速运行时,它可以从电池中吸收大量电流。 请记住,欧姆定律是电阻和电流的乘积。 因此,通过节流处理器,电流消耗会更少,因此由于欧姆定律,电压降也将更少。 最终效果是避免了以用户体验为代价而提前关闭! 苹果应该做的是确保他们的iPhone电池可以提供800或1,000周期,而不是500周期。 顺便说一句,您会注意到 iPad电池 被评为1,000个周期,这就是为什么您看不到旧的iPad遭受iPhone关闭问题困扰的原因。

如果您拥有旧的iPhone并遇到速度下降的情况,请去Apple商店并更换旧电池…。或为自己购买一部电池性能更好的新智能手机。

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更新:28年12月2017,Apple发布了 邮件 向其客户提供的产品,以替换保修期为$ 29而不是标准$ 79的旧版iPhone电池。 感谢Apple对此问题负责并获得客户的支持。

162017年XNUMX月

学校本周开始为我们大多数人所以现在是时候恢复这些职位了。 今天的帖子继续深入了解锂离子电池的微妙之处。 令人惊讶的是,只有两个触点的简单设备可以如此有趣和复杂。

随着夏季即将结束,一些智能手机制造商准备推出最新最好的设备。 三星在8 8月宣布他们的Note 23。 LG将在一周后宣布其旗舰产品V30。 我们并没有忘记苹果公司在9月准备了他们最新的iPhone。

所有这些新设备都将配备惊人的美观和大型显示器,顶级处理器,当然还有电池供电。 消费者的预期价格超过700,他们将智能手机保存了两年甚至三年。 他们的电池会持续那么久吗?

我们将在这里检查一个影响电池寿命的参数......并为您提供一些有关如何使电池保持新鲜时间超过平均水平的花絮。 今天的帖子是关于电压的。 电压是充电状态(SOC)的替代性质。 这是非常的操作原则 燃油表 - 如何在屏幕顶部阅读剩余电池寿命的百分比。

当我说电压时,我的意思是电池将看到的最大电压。 它还以mAh为单位确定最大可用容量。 看着 标签 电池充电时,您将观察充电过程中的最大电压和电池的最大容量。 大多数最先进的电池在4.35 V或4.4 V附近的最大电压下工作。这也是与100%电池读数相对应的电压。

如果您选择将智能手机充电到较小的百分比,比如说仅为90%,则电池电压会停在较低的值。 对于额定为4.35 V的电池,100%对应于4.35 V.在95%处,电压为4.30 V.在90%处,电压为4.25 V.这些是电压值的微小差异,但容量存在显着差异。

让我们举一个具有3,100 V最大容量为4.35 mAh的电池的特例。因此,在4.25 V,最大可用容量略高于2,800 mAh。

你现在想知道: 为什么有人想这样做?

答案是:电池寿命长。 如果你没有最好的电池,或者你的智能手机制造商没有在你的设备上提供最好的电池管理智能,那么你应该非常担心你的电池是否会持续超过一年。 6月或一年后的电池问题是保修退货的重要原因。

让我们用一些测量数据来支持它。

下图显示了在3,100 V下额定为4.35 mAh的电池的最大可用容量。在此电压下,此电池仅持续约400周期,或大约一年。 在此之前,你会抱怨失去使用。 棕色线显示您的电池在250个月后丢失了6 mAh的容量......这是关于2小时的使用时间。 哎哟!

现在,让我们来看看智能手机只收取95%的费用。 这是3,000 mAh的最大可用容量,而不是3,100 mAh。 现在按照图表中的深绿色曲线。 它以比棕色线慢得多的速度消失。 实际上,它在大约300周期或大约10个月的时间跨越棕色线。 换句话说,在10月之后,它提供了更多的容量。 这说明了电压和寿命之间的权衡。

一个智能手机制造商已经开始使用电池的先进智能(如Qnovo's),不会患上这种疾病。 但是如果你怀疑你的设备没有这样的智能,那么你可以通过将电池充电到最大95%甚至更低来自己做一件大事。

022016年XNUMX月

融化的Samsung Note 7智能手机的图像遍布整个互联网。 三星大规模召回的消息是头条新闻。 这让三星移动,其营销和工程团队以及最有可能的高管感到尴尬。 消费者想知道三星如何装运带有可能引起火灾的有缺陷电池的单元。

现在选择三星很容易,但不正确,或者对该公司持批评态度。 为什么? 因为这可能发生在任何人身上……对,任何人。 如果您是智能手机设备或带有锂离子电池的消费类设备的OEM厂商,那么这是您关注产品的时候,因为您可能会成为下一个。

尽管这听起来很不祥,但这里的目的是提高整个依赖电池的生态系统的安全意识。 三星恰好是第一个展示出已经积累了数年的菌株的不幸公司。 我在过去的几篇文章中介绍了电池行业的发展情况 撞墙。 电池材料即将达到 范围。 电池经济学是 不好。 然而,对电池的性能要求不断提高。 所有这些因素都是并且继续是三星发现自己处境的先兆。

在生活中经常发生这种情况,我们往往会沾沾自喜,直到危机来临。 危机在这里,现在。 三星首先感到痛苦,但是这个生态系统中的每个公司,从消费设备到储能和电动汽车,都应该意识到情况的严重性并参与其解决方案。 同样,为什么呢?

这种完美的风暴已经酝酿了一段时间,特别是在提高能量密度和更快的充电速度同时制造更便宜的电池方面。 提高的能量密度和更快的充电使电池在其物理极限附近运行。 换句话说,在这些提高的性能水平下,错误的余地确实很小。 例如,最新的锂离子电池现在的工作电压为4.4伏,而几年前为4.2伏。 电压的增加是能量密度增加的潜在物理租户之一,但它使电池每隔很近就移动一次。 安全 深渊。 另一个例子与充电速度有关:如果不超过充电速度,现在已接近充电速度 1C。 电动汽车制造商正在积极探索电动汽车的快速充电。 特斯拉正在快速部署其增压器。 这些增压器可以为特斯拉模型提供最高1.5C的充电能力,即在大约20分钟的时间内将其放入半罐中。 如果管理不当,快速充电会给电池内部造成严重破坏。

因此,现在增加制造便宜电池的动力。 与半导体不同,电池制造无法扩展。 没有等效的 摩尔的 法。 换句话说,随着能量密度的增加,每Wh(每能量单位)的成本不会降低……相反,由于制造公差越来越严格,它往往会增加。 结果,资本支出增加。 将其与来自中国的低成本,低质量的电池结合起来,从根本上看,您会发现电池公司的财务状况看起来并不理想。 随着公司寻求更有效的制造方法,这总是导致制造过程的变化。 但是,当设计误差幅度如此之小时,在制造中的微小变化导致灾难性后果之前并不需要很多。 记住,在三星的情况下, 35个故障设备 总共2,500,000件中引起召回。 这是14 ppm(百万分之一)的故障率。 这个数字很小,但是显然不够小。

这并不是说电池制造和电池技术注定要失败。 历史上有无数的例子,工程师安全,经济地建造了更为复杂的系统和结构……但通常这些例子包括范式的改变。 例如,稍停片刻,然后将第一架商用飞机与最新的喷气客机进行比较。 最新的波音和空中客车商业客机在计算和软件上惊叹不已。 如今,无线电传和具有冗余功能的自动化系统已成为常态,但是这些新型飞机的速度比其前代飞机快得多。 换句话说,该行业增加了更多的智能,并将负担转移到了计算上。 结果是现代飞机比以往任何时候都更加安全,并且运行起来更加经济。

这恰恰是在电池制造商及其客户,OEM面前的机会,他们可以深刻而认真地思考如何实现更多的智能来管理电池。 索尼认识到这一点而倍受赞誉。智能手机中的电池具有很高的智能性,出色的性能和安全性。 我在这里有失偏颇……很多情报来自Qnovo,但这不应削弱需要情报来管理电池设计人员必须应对的不断消失的误差这一点的重要性。

192016年XNUMX月

这篇文章包括Robert Nalesnik的贡献。 过去我曾讨论过快速充电需要两个组成部分: 送电 –这意味着从墙上的插座向电池获取额外的电力,并且ii) 电池管理 –这意味着确保您不会因为所有多余的电量而破坏电池的寿命。

您需要多少电量? 如果您想更快地充电,则要多得多。 这就像您的汽车发动机:如果您想提高速度,那么您将消耗更多的汽油。 对于典型的智能手机,功率级别在某些情况下会从常规的5瓦特提高到15甚至接近20瓦特。

提供更高级别的电源是一个非常活跃的领域。 高通公司拥有Quick Charge,联发科拥有Pump Express,并且有英特尔支持的USB Power Delivery标准,中国制造商Oppo拥有VOOC。 毫不奇怪,由于有如此众多的参与者试图影响甚至定义电力输送的标准,因此有很多混乱的地方。

首先,让我们刷新一些高中的基础科学知识:电力=电流x电压。

因此,如果我们要提供更多的功率,则可以增加电流,电压或同时增加两者。 增大电流相对容易,但是增大电流意味着产生更多热量……直到某些东西开始熔化。 不好! 这通常会将充电电流的上限设置在3和5 A之间。

另一种方法是增加电压,从常规的5 V到9 V,甚至12 V,在某些有限的情况下甚至更多。

大电流充电

大电流充电利用了这样的事实,即可以使用便宜的5 V AC适配器为现代单节锂离子电池充电,该适配器的制造价格约为1美元。

充电电流的增加受到以下因素的限制:i)AC适配器和移动设备之间的USB电缆以及设备中USB电缆插入的微型连接器的最大额定电流; ii)成本,iii)热量和安全性。

让我们做一些数学运算。 典型的USB电缆组件可以支持1.8 A的最大电流。因此5 x 1.8 = 9瓦特最大值。 这对于标准充电很好,但不足以对智能手机快速充电。 新的USB C型电缆(带有对称连接器,可以按您喜欢的任何方向使用)最多可支持3 A,即最大15瓦。 好多了! 在某些非常有限的情况下,并使用特殊电缆,可以将USB C型推入5 A或25瓦特。 但是随着5 A的成本开始飞涨,因此,我们看到设计趋向于3 A或等效的15瓦。

为了正确理解这一点,15瓦特可以以3,000 C的速率为典型的1 mAh电池充电,这意味着您将在50分钟内获得30%的电池电量,并在一个小时内充满电。

关于热量的简短说明:如果您还记得高中物理中的欧姆定律,则热量会随着电流的平方而增加。 这意味着随着充电电流从1.8 A增加到3 A或1.66X,设备内部的热量将随着1.66 x 1.66 = 2.8X而增加。 哎哟! 从设备中去除的热量很多……。这是以后发贴的重要话题。

Power1

高压充电

让我们暂停片刻,想一想我们经常从市区以外的高速公路看到的高压输电线路。 电力公司从距离城市数百英里的发电站(例如,水坝)输送电力。 如果他们使用您在出口处获得的120 V,那么架空传输线将必须承受数百万安培的电流……这不仅在物理上是不可能的,而且在经济上也令人望而却步。 因此,传输线在更高的电压下运行,最高可达800,000伏。 这些传输线自然不会直接进入您的房屋。 相反,它们终止于较小的变电站(隐藏在您附近的主要道路旁),然后逐渐“降低”电压。

这与移动设备中使用的概念相同。 交流适配器的电压现在升高到5 V以上。但是应该是什么电压? 9 V,12 V? 更多? 这取决于插入USB电缆时智能手机内部的专用芯片(通常为电源管理IC,也称为PMIC)与AC适配器之间的“握手”协议。这是高通公司的Quick Charge和USB Power Delivery标准,每种标准使用不同的信号机制。 电源工程师中有句谚语:“电压比电流便宜”,实际上,成本较低的组件和电缆是高压充电的主要好处。

USB Power Delivery(USB PD)标准允许5,9,15和20 V的电压以及高达3 A的电流。这分别提供了15,27,45和60 W的功率电平。 此外,5V允许的电流高达20 A,从而使电流高达100W。 高通在5,9,12和20 V上具有相似的预定义功率水平。高压充电具有明显的优势,可以达到25 W以上的功率水平,这使其成为2平板电脑中的笔记本电脑,超级本和1的首选。

power2

这种丰富的方法将如何在市场上解决? 从历史的角度来看,高通公司很早就看到了以比USB委员会更简单,更便宜的方式定义高压充电的机会。 他们在2.0中启动了Quick Charge 2013,并在3.0中推出了最新的2015版本。 高通已经非常成功地建立了Quick Charge作为智能手机的事实上的充电标准。 最近,英特尔和其他公司成功地将USB PD和Type-C连接器推向PC市场,并且Type-C有望成为所有移动设备类别的标准连接器。

在智能手机中,未来几年可能仍会采用多种供电方式,芯片组和适配器供应商将逐步发展为多标准支持,以弥合兼容性差距–这意味着智能手机可支持多种协议,例如Qualcomm,USB PD,Pump Express等。 从Qnovo的角度来看,我们与客户选择的任何电力传输方法无关。 更高的功率使得对快速充电的第二个组成部分的需求更大:电池管理。