并行视角：智能眼镜中的多电池管理

在智能眼镜和增强现实设备简洁的镜架内部，蕴藏着大量先进技术。然而，这些设备通常只能连续工作数小时。这是因为摄像头和传感器必须持续采集周围环境，同时处理器在高分辨率显示屏上渲染数字物体，并将它们实时叠加在现实世界中。实时空间计算的巨大功耗需求，与它们轻量化的外形尺寸和有限的电池容量形成矛盾。

由于设备佩戴在头部，电池组必须非常小巧，通常被安置在镜架纤细的镜腿内部或嵌入镜臂之中，这严重限制了电池容量。设备直接贴合皮肤，其能够安全产生的热量受到限制。因此，这限制了处理器性能和电池放电速率。

但随着智能眼镜快速走向主流，工程师们在延长这些设备有限续航时间方面变得更具创新性。

一个趋势是将多块小型电池分布在整个设备中并进行并联连接，使其作为单个更高容量的电池组工作。这种架构使设计人员能够利用镜架或外壳内原本闲置的空间，在不增大设备体积的情况下有效提升总电池容量。

然而，并联电池会给设计人员带来一些难题，尤其是在电芯之间平衡电压、匹配阻抗，以及防止意外互充方面。

管理这些问题需要对电芯内部的电压、电流和温度进行精准、实时的监测。同时也需要精确的控制，在不牺牲安全性和可靠性的前提下加快充电速度并延长续航时间。

在国际消费类电子产品展览会（CES）上，亚德诺半导体演示了一款名为MAX17335的电池管理集成电路，该芯片将充电、监测和保护功能集成在单一芯片中，简化了并联电芯的电池管理。

电池并联与串联连接的区别是什么？

随着电池续航成为消费类设备更关键的考量因素，企业越来越多地采用多电芯设计，将电芯物理分离，以帮助延长电池的有效容量和使用寿命。

在串联配置中，独立的电池电芯首尾相连，以提升电压但不增加总容量，通常用于提高效率。与之相对，将电芯并排采用并联配置，可提供更大的总安时（Ah）容量，同时保持电压不变。

串联连接的电芯需要采用相同的电压和容量规格，以最大化性能和安全性。尽管并联配置中的电芯应具备相同的标称电压，但它们的容量可以不同。

并联配置还可以将电池放置在特殊位置，例如智能眼镜的两侧或折叠手机的不同部位，为工程师提供更大的结构设计灵活性。例如，不在智能眼镜的一侧镜腿中集成单块 200 毫安时电池，而是改用一块更小的 150 毫安时电芯，并与位于耳挂处的 100 毫安时电池并联，总容量可达 250 毫安时（图 1）。额外的 50 毫安时使总容量提升了 25%。

但这些优势也给电池管理系统（BMS）带来了新的挑战。在多电芯电池中，最重要的是平衡各个电芯之间的电压和电流。电芯均衡难度较大：由于电芯内部发生的电化学反应、施加在电芯上的不同负载，以及温度、老化等会影响电芯阻抗的其他因素，这些参数会不断变化。这些因素会导致电芯之间出现不均衡状态。

平衡电芯之间的荷电状态（SOC），对于最大化容量和使用寿命至关重要。在充电过程中，电芯本身容量的固有差异，或电压及其他参数的偏差，会导致部分电芯充电不足，而另一部分电芯过充。这会使电池组无法发挥全部容量，并可能导致电芯过早老化。久而久之，会出现电池整体寿命缩短以及安全问题。

当电池容量不同时，电芯均衡会更加复杂。由于荷电状态是一个相对指标，容量较小的电芯比容量较大的电芯更快达到相同的荷电状态。保持均衡意味着在每一个周期的充电和放电过程中，为不同电芯提供不同大小的电流，这一要求更高。并联电芯的数量越多，实现这一目标的复杂度越高。

电池管理系统还必须能够控制设备工作时电芯的电流分配。除非在并联电池之间仔细平衡负载，否则容量较小的电芯会先于容量较大的电芯耗尽电量，导致电池组提前欠压关机。这可能导致大量可用容量闲置未被使用。此外，如果通往每个电池电芯的通路阻抗不相等，电流将无法均匀分配。

某一块电池比另一块耗电更快，会导致该电芯的循环强度更高。最终，该电池电芯可能过早出现容量衰减，不仅缩短电池组的整体寿命，也会缩短整个消费设备的寿命。

另一个问题是无意的互充。当不均衡的电芯并联时，电压较高的电池会向电压较低的电池分流电流，直至两者电压持平，这可能引发过热或其他问题。

当设备消耗大量功率时，两块电池主要为负载供电。但当设备降低功耗时，互充风险会上升。这种持续的电流重新分配会破坏电芯均衡并造成功率损耗。

使用无源元器件解决该问题时，可以在电路中加入二极管。然而，二极管或门电路通常存在缺点，包括电芯之间的电流均分效果不佳。

取而代之的是，可以使用更智能的电池管理集成电路关断电路中的充电场效应管，限制反向电流流动。这可确保电池同时放电，且荷电状态较高的电池会优先放电，以与另一电芯保持均衡。

电池管理集成电路的另一项优势是，它可以在合理的情况下实现可控的互充。例如，当智能眼镜连接便携式充电宝但仍在使用时，让设备内电压较高的电池电芯分流少量电量为电压较低的电芯充电，会有所帮助。该芯片可通过严格调控电路中的充电场效应管来实现这一功能，使适量电流在电池电芯之间流动。

电池管理集成电路将充电器、监测器和保护器集成一体

安全高效地为并联电池电芯充电，并尽可能释放其总容量且不发生衰减，需要精准的电芯级监测。必须实时测量电压、电流和温度，以准确估算电芯的荷电状态。

若缺乏这种监测能力，电芯的充放电会出现不一致，电池保护系统需要增设额外安全裕量。这反过来可能导致电池无法充满或完全放电，降低可用容量。

如今的电池管理集成电路越来越多地集成电池电量计，以更精准地控制充电电流，并持续监测放电状态，帮助防范潜在危险。

亚德诺半导体的 MAX17335 便是一例，它将充电、监测和保护功能集成在单一芯片中。该芯片从兼容 USB‑C 的充电器或转换器取电，实现并联电池电芯的高速充电，帮助最大化续航时间。尽管该芯片专为单电芯锂离子（Li‑ion）和锂聚合物（LiPo）电池设计，但可通过多颗芯片独立为并联连接的电芯充电，并防止意外互充（图 2）。

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