?設計適合您應用的電池組

了解如何設計最符合系統電源要求的電池陣列。本文將幫助您解釋電池規格，評估使用壽命，并了解容量、負載和環(huán)境之間的關(guān)系。

電池電源是現代設備的必備品，即使是插入式設備，也經(jīng)常配備內部電池，以在電源耗盡時(shí)保護關(guān)鍵系統。在今天大量的移動(dòng)和便攜式設備中，交流電源線(xiàn)已經(jīng)被降為電池充電。

許多裝置火災、產(chǎn)品召回和爆炸都可追溯到電池系統設計不當。此外，許多終端用戶(hù)對電池容量不足的設備感到失望，無(wú)法讓其度過(guò)一天的使用。很明顯，有許多電池系統需要改進(jìn)。

部分問(wèn)題在于電池容量值可能會(huì )產(chǎn)生誤導。廠(chǎng)商之間的測試方法和測試條件各不相同，所以注意這兩個(gè)方面的細節是很重要的。本文有望為您提供解釋電池規格所需的工具，并為您的系統選擇正確的解決方案。

確定功率要求

電子系統的功率消耗會(huì )隨著(zhù)應用的不同而變化。在極端情況下，超級計算機以兆瓦為單位運行；另一方面，現代電子手表的功率是2~6 mW。精確地確定一個(gè)設計在這個(gè)寬能量范圍內的位置是確定是否可以使用電池以及如果可以的話(huà)，電池策略應該是一個(gè)重要部分。

在確定系統的功率要求時(shí)，我們需要考慮以下內容：

?使用時(shí)間。

?使用時(shí)的峰值電流。

?所有使用場(chǎng)景的長(cháng)期平均電流（LTAC）。

?系統的功能電壓范圍，包括所需的最小和最大電壓。

使用時(shí)間

電池容量主要是根據電流和時(shí)間來(lái)測量的，這是電池能夠產(chǎn)生固定電流的持續時(shí)間。容量值通常以安培小時(shí)（Ah）為單位。最后，電池組不僅需要提供正確的電流量（我們將簡(jiǎn)短討論這一要求），而且還需要系統在使用期間繼續提供電流。

使用時(shí)間是直接的-它只是在電池需要充電或更換之前，你應該能夠使用多長(cháng)時(shí)間。以下是一些例子：

手機使用時(shí)間：>20小時(shí)。

感煙探測器使用時(shí)間：>12個(gè)月。

任何ZigBee設備的使用時(shí)間：>2年（強制認證）。

對于像無(wú)線(xiàn)鼠標或手持式遙控器這樣的設備，指定電池刷新事件之間的點(diǎn)擊次數也是一種可能的方法。為了確定必要的電池容量，我們將每次點(diǎn)擊使用的Ah乘以我們在更換電池之前定義為最小值的點(diǎn)擊次數。然而，設備需要在點(diǎn)擊事件之間消耗可忽略不計的電流才有效。

峰值和長(cháng)期平均電流

確定峰值電流和LTAC需要檢查裝置的瞬態(tài)電流（圖1）?？稍趯?shí)驗室使用測試夾具進(jìn)行測試?；蛘?，可以手動(dòng)估算所有有源電路的計數。

?圖1四種不同的電力估算電流配置文件。

根據系統設計，電流消耗有多種不同的模式。實(shí)例A顯示了一個(gè)穩態(tài)電流，這是最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景。因為電流水平是恒定的，LTAC和峰值電流相等。

工況B常見(jiàn)于許多單用途系統。在這些系統中，短暫的高電流活動(dòng)的突發(fā)被長(cháng)的、低電流的睡眠期分開(kāi)。LTAC將高度依賴(lài)于活動(dòng)與睡眠的時(shí)間段及其各自的電流。峰值電流出現在激活期間。

實(shí)例C和實(shí)例D是具有混合電流使用模式的許多多功能系統的典型實(shí)例。在這兩種情況下，各種開(kāi)關(guān)都是間歇性的。

在構建硬件之前，我們可以根據系統的大電流設備及其預期活動(dòng)時(shí)間量對LTAC進(jìn)行第一次評估。機電設備——例如電機、伺服系統和螺線(xiàn)管——將成為最大的功率消耗者，但顯示燈、高性能現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和多核心微處理器也可能主導功率預算。

電壓范圍

系統電子設備的最小和最大工作電壓取決于電力系統設計。如果蓄電池電源直接向有源電路供電，則這些電路會(huì )限制工作電壓。許多電力系統在前面使用一些形式的電壓調節器，允許更寬的功能電壓范圍。

根據規定的功率要求，電池可安裝到電子設備上。電池的電壓范圍也需要考慮，我們很快就會(huì )看到。

電池放電與功能電壓范圍

圖2顯示了固定電流負載下典型的蓄電池放電曲線(xiàn)。隨著(zhù)蓄電池放電，蓄電池的電壓輸出以非線(xiàn)性方式緩慢下降。

?圖2蓄電池輸出電壓隨時(shí)間變化。

放電曲線(xiàn)從A開(kāi)始，說(shuō)明新鮮的一次性電池或完全充電的設備，其中電池由充電器加滿(mǎn)。

放電會(huì )迅速降低區域（B、C和D）的電壓，其中會(huì )出現更線(xiàn)性的放電輪廓。

在曲線(xiàn)（E）的拐點(diǎn)處，流量被認為是完全的。

根據其化學(xué)性質(zhì)，超過(guò)E的放電有時(shí)會(huì )損壞蓄電池。許多充電電池管理系統保護性地在E處切斷以避免這種情況，盡管一次性電池通常被使用到F。

電池放電時(shí)，系統電壓會(huì )逐漸降低。如果系統能夠降到E或F，則充分利用電池的能量供應。如果系統在C至D范圍內停止工作，則電池的全部容量未被使用。

改進(jìn)性能

為了充分利用電池容量，系統電子設備需要具有包括電池組的最小和最大電壓在內的電壓范圍。如果系統電子設備在進(jìn)入電池的VMIN之前關(guān)閉，您可以：

通過(guò)串聯(lián)使用電池來(lái)提升VMIN。蓄電池的數量取決于蓄電池電壓和系統的最低電壓需求。

通過(guò)在電力系統中使用低壓降（LDO）調節器或升壓轉換器，使電子設備能夠在較低的電池電壓下工作。

蓄電池的放電行為

簡(jiǎn)單的Ah額定值和公稱(chēng)電壓可能會(huì )產(chǎn)生很大的誤導。為了確保選擇正確的電池設置，可以更深入地了解電池在使用過(guò)程中的放電方式。

電池放電輪廓可以提供設計合適的電池組的便利方式。圖3中的曲線(xiàn)顯示了典型AA電池在五種不同電流下的放電曲線(xiàn)。

AA堿性放電電流與使用時(shí)間。

?圖3。AA堿性放電電流與使用時(shí)間。

這些曲線(xiàn)顯示0.9 Ah和1.9 Ah之間的Ah額定值。該電池的供應商規定容量為2.7 Ah，這應讓您了解這些值可能會(huì )有多大的誤導性。

較高的放電電流通常會(huì )產(chǎn)生較低的Ah額定值，因此廠(chǎng)商通常會(huì )在很低的放電電流下說(shuō)明Ah額定值，以獲得更好的容量數字。如您所見(jiàn)，重要的是要尋求有關(guān)容量測試的更多細節，并且如果可能的話(huà)，檢查針對類(lèi)似于系統LTAC的當前值繪制的流量曲線(xiàn)。

值得強調的是，電池容量并不是一個(gè)單一的、硬性的數字。為了避免電池損壞，我們需要包括一些余量，并考慮峰值電流和LTAC。表1顯示了容量如何隨負載電流而變化。

?表1。一次性堿性電池（AAA至D）的電池容量與放電電流。

一次性堿性電池（AAAA至D）的電池容量與放電電流。

溫度的重要性

。電池作為一種電化學(xué)反應，其性能與溫度高度相關(guān)。因此，電池的熱性能和應用環(huán)境的溫度是重要的設計考慮因素。如圖4所示，隨著(zhù)溫度的下降，性能從超過(guò)7個(gè)小時(shí)急劇下降到不足1個(gè)小時(shí)。

電池放電曲線(xiàn)顯示了在一定溫度范圍內的使用時(shí)間。

?圖4。電池放電曲線(xiàn)顯示了在一定溫度范圍內的使用時(shí)間。

許多廠(chǎng)商使用熱電池（25°C至30°C）進(jìn)行測試，以產(chǎn)生更好的容量數字。在設計電池組時(shí)，不僅需要考慮電池本身，還需要考慮操作環(huán)境的溫度以及它與測試環(huán)境的差異。

案例研究：無(wú)線(xiàn)恒溫器

為了鞏固我們迄今為止所學(xué)到的知識，讓我們來(lái)看一個(gè)案例研究。圖5展示了ZigBee無(wú)線(xiàn)恒溫器的能量和壽命計算示例。這種低功率設備是一次性電池的良好應用。

?圖5。由一次性電池供電的ZigBee無(wú)線(xiàn)恒溫器的示例要求/規范。 

在本例中，恒溫器每隔60秒通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行無(wú)線(xiàn)報告。該設備通電250毫秒，使用9.3 mA。然后休眠，使用4.2μA，持續60秒。

LTAC為43μA，為堿性AA電池提供超過(guò)7年的使用時(shí)間，為AAA電池提供超過(guò)3年的使用時(shí)間。ZigBee標準要求設備的電池壽命超過(guò)兩年，因此這兩種類(lèi)型的電池都提供了可接受的使用時(shí)間。

恒溫器的運行VMIN為1.9V。然而，堿性電池在完全放電時(shí)的最低電壓僅為0.8V。使用兩個(gè)電池串聯(lián)是一個(gè)合適的解決方案。

兩個(gè)串聯(lián)電池提供的組合最小電壓為2 x 0.8 V=1.6 V，這意味著(zhù)當系統在1.9 V（每個(gè)電池0.95 V）下停止工作時(shí)，電池不能完全放電。然而，如果使用AA電池，兩年的要求有足夠的余量。如果需要，可以使用1.6 V作為排放循環(huán)的底部進(jìn)行更仔細的分析。

由于ZigBee恒溫器大部分時(shí)間都處于微功率（4.2μa）休眠模式，因此不建議使用降壓-升壓轉換器來(lái)獲取電池的全部能量。降壓-升壓轉換器需要一直運行，從而大大增加休眠模式下的電流。

大電流并聯(lián)電池

為了獲得適當的使用時(shí)間，可能需要并聯(lián)蓄電池。這樣做時(shí)，電線(xiàn)中的電流電阻降需要保持平衡，以便電池向負載提供相等的電流。在高沖擊電流情況下，互聯(lián)電阻及其位置可能會(huì )影響電池負載。

在大電流放電和充電時(shí)保持電池電流平衡需要注意細節，如圖6所示。

用于大電流電池連接的五種不同配置。

?圖6。用于大電流電池連接的五種不同配置。

實(shí)例1說(shuō)明了將兩個(gè)大電流電池并聯(lián)以增加容量和沖擊電流能力的常見(jiàn)方法（如果不理想的話(huà)）。當負載需要大電流沖擊時(shí)，電池電流Ia和Ib將不相等，因為來(lái)自左側電池兩側的Rwire存在額外的電阻。在大電流情況下，電阻可能顯著(zhù)。案例2（良好）通過(guò)確保每個(gè)電池都有一個(gè)串聯(lián)的Rwire來(lái)糾正沖擊電流不平衡。

實(shí)例3是實(shí)例1中問(wèn)題的延伸，三個(gè)電池將經(jīng)歷三個(gè)不同的沖擊電流。案例4通過(guò)使用連接匯流條重新平衡所有三個(gè)電池的電阻路徑來(lái)解決問(wèn)題。情況5平衡所有電池的電阻路徑，不需要匯流條連接點(diǎn)。

最后，在組合電池時(shí)，應保持匹配。為獲得最佳性能，使用相同的使用年限、類(lèi)型、型號和廠(chǎng)商。

安全配置電池組

鉛酸蓄電池和堿性蓄電池必須單獨購買(mǎi)，并手動(dòng)配置成一個(gè)連接的陣列。然而，使用鋰離子（Li-ion）或鎳金屬氫化物（NiMH）電池的電池組通常由專(zhuān)業(yè)制造商裝配。

由于鋰離子電池的安全問(wèn)題，許多制造商不愿意在公開(kāi)市場(chǎng)上提供未受保護的電池。相反，一種常見(jiàn)的方法是僅向經(jīng)認可的電池組制造商銷(xiāo)售未受保護的電池，以便設備正確配備安全電路、充電平衡和支持電子設備。

許多電池組供應商提供大量?jì)戎秒姵毓芾砗桶踩娮釉O備的預裝配電池陣列模塊。其中一些電池組具有安全監管認證，這可以節約成本和時(shí)間。

安全測試很重要。大量的手機電池火災都是由電池的機械外殼造成的，沒(méi)有足夠的空間讓電池膨脹。仔細的機電設計審查和安全合規性測試應該讓您的產(chǎn)品遠離晚間新聞。

主要注意事項

本文中我們已經(jīng)介紹了很多信息。以下是我們討論中最重要的幾點(diǎn)：

電池規格不規范，供應商之間不一致。因此，設計者需要仔細閱讀規范細節和測試條件，以確定有意義的電池容量數字。

可通過(guò)確定長(cháng)期平均電流（LTAC）來(lái)估計或測量系統功率要求。

通過(guò)將蓄電池放電電壓曲線(xiàn)擬合到系統的功率要求，可以實(shí)現蓄電池容量的充分利用。

蓄電池的化學(xué)成分可能有很大的差異，從而導致相應的性能差異。

蓄電池容量隨負荷變化，不是一個(gè)固定值。更高的電流使用導致更低的容量性能。

安全測試可以防止道路上出現重大問(wèn)題。