固态电池时代下的PMIC是什么样的？
编辑：转自：电子发烧友
发布时间：2024-10-18
随着新能源汽车与储能产品的迅猛发展，也带动了多家产业链公司加速固态电池的产业化布局，包括上汽集团、宁德时代等企业都宣布了全固态电池的量产计划。全球范围内，各大电池厂商预计将在2027年左右实现全固态电池的量产，中试产线的建设预计在2024年至2026年期间完成并运行。
随着固态电池量产日期的临近，针对固态电池的PMIC也需要在技术上进行革新，针对固态电池的特性，PMIC需要满足特定的要求以确保电池的高效和安全运行。近年来，固态电池技术不断取得突破。作为一种使用固体电极和固体电解质的电池技术，其与传统液态电解质锂离子电池相比具有显著的安全性和能量密度优势。然而，为了充分利用固态电池的潜力，需要相应的PMIC来确保电池的有效管理和安全使用。通常固态电池的输出电压范围较宽，需要PMIC要能在不同的充放电阶段，精确地调节和稳定输出电压，以满足电池系统中各种负载的需求。例如，在电池充电时，需要将输入电压转换为适合电池的充电电压，并且要保持电压的稳定性，防止过充导致电池损坏；在电池放电时，能将电池电压转换为负载所需的稳定电压。并且在固态电池充放电的过程中，PMIC需要实时、精确地监测电流的大小和变化趋势。这有助于及时发现电池的过充、过放、短路等异常情况，从而采取相应的保护措施，延长电池的使用寿命。当监测到电池充电电流过大时，PMIC可以自动降低充电功率，防止电池过热。除了硬件保护机制外，PMIC 还应具备软件保护算法，通过对温度数据的分析和处理，提前预测可能出现的过热情况，并采取相应的预防措施。比如可以根据电池的温度变化趋势，提前调整充电功率或放电功率，避免温度过快上升。需要注意的是，虽然PMIC负责电池的充电、保护和状态监控，智能化地管理电池健康和寿命。但固态电池的管理需要考虑到其特有的电化学行为，包括可能不同的充电曲线和温度敏感性。例如对于常见的锂离子固态电池典型工作电压范围可能是2.7V至4.2V，当充电电压超过4.2V时，PMIC应该自动切断充电电路。此外，高效的DC-DC转换器是必需的，以确保从电池到负载的电力转换尽可能高效，减少能量损失。并且由于固态电池的电流传输效率可以非常高，代尔夫特理工大学的研究表明，通过优化界面，可以实现2.47×10^-4
S/cm的室温电导率。对于LiFePO₄-锂金属固态电池，在室温下循环时，0.25
mA/cm²的临界电流密度显示出更高的稳定性，库仑效率可达99.9%。这意味着在实际应用中，固态电池可以在较高的电流密度下稳定工作，从而实现高效的电流传输。当然，这对于PMIC而言是个好消息，由于固态电池能量转换效率的提升，让PMIC产生的热量减少，这降低了对散热系统的要求。同时，高效率增加了PMIC在设计上更多的灵活性，可以选择更高频率的操作来减少外部组件（如电感器和电容器）的尺寸，或者可以集成更多的功能而不必担心热量累积问题。成本上，虽然高效率的PMIC可能需要更复杂的制造工艺和更昂贵的材料，但由于减少了对其他组件（如散热器）的需求，总体成本反而可能会得到优化。如今许多PMIC都将多轨降压、升压及LDO稳压功能与每个电轨参数，以及与其他电轨间交互的复杂可配置能力整合在一起。针对固态电池的应用，比如小到可穿戴设备，大到新能源汽车、储能电站等，这些产品通常都会有一个电源以及一个或多个
DC 电轨。尽管许多应用在一定程度上具有类似的优先级，但优先级的排序及其相对权重决定了这些应用的差异。需要注意的是，就单个DC电轨管理以及这些电轨之间的关系、定时和操作要求而言，不存在同时满足所有情况的最优PMIC解决方案。例如对于可穿戴设备，优先考虑因素包括低静态电流、高效率和超紧凑的外形。为了延长手表的续航能力，PMIC需要采用高效的DC-DC转换器，例如高达95%以上的转换效率。同时，考虑到手表内部空间有限，PMIC设计应尽量减少热量产生，或设计有效的散热路径。高度集成的PMIC将充电管理、电源调节、保护电路等功能整合在一个芯片上，减少手表主板上的空间占用。以及支持多级低功耗模式，例如在手表处于静止状态时自动切换到超低功耗模式，进一步延长电池使用时间。而在便携储能产品应用上，这类设备通常包括便携式电源站、户外电源、电动滑板车等，它们通常需要比智能手表更大的功率输出，同时也需要较长的运行时间和较快的充电速度。这类便携储能设备的固态电池可能使用的是多串电池组，例如3.6V到14.4V（通常是4节锂离子电池串联），PMIC需要支持这一较宽的电压范围，并能够提供稳定的输出电压给不同的负载设备。支持快速充电协议（如QC4.0+、PD3.0），使得储能设备可以在短时间内充满电。同时，确保在快速充电过程中，电池的温度控制在安全范围内。同时需要提供标准的通信接口（如I²C、SPI、USB-C PD等），以便与主控制器或其他管理单元进行数据交换，允许实时监控电池状态，并进行必要的调整。显然，为满足当今系统更复杂的需求，PMIC必须加大其输出范围，提升其原始DC性能，改进其附加功能，并提高用户定义的灵活性。当前市场中如TI、Qorvo等公司都推出了不少优秀的PMIC产品，可以满足未来固态电池时代下对PMIC的性能要求。当然，未来随着固态电池的正式推出，对PMIC的设计也将做出相应调整，以让其释放最佳的性能表现。固态电池需要一个定制化的PMIC来管理其独特的属性，包括但不限于高效率的电源转换、精确的电流控制、智能的电池管理以及适应其特定需求的其他功能。随着固态电池技术的进步，PMIC的设计也将继续演进，以满足更高性能和更安全的标准。
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