?設計適合您應用的電池組

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

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

許多裝置火災、產品召回和爆炸都可追溯到電池系統(tǒng)設計不當。此外，許多終端用戶對電池容量不足的設備感到失望，無法讓其度過一天的使用。很明顯，有許多電池系統(tǒng)需要改進。

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

確定功率要求

電子系統(tǒng)的功率消耗會隨著應用的不同而變化。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。精確地確定一個設計在這個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，電池策略應該是一個重要部分。

在確定系統(tǒng)的功率要求時，我們需要考慮以下內容：

?使用時間。

?使用時的峰值電流。

?所有使用場景的長期平均電流（LTAC）。

?系統(tǒng)的功能電壓范圍，包括所需的最小和最大電壓。

使用時間

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

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

手機使用時間：>20小時。

感煙探測器使用時間：>12個月。

任何ZigBee設備的使用時間：>2年（強制認證）。

對于像無線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，我們將每次點擊使用的Ah乘以我們在更換電池之前定義為最小值的點擊次數。然而，設備需要在點擊事件之間消耗可忽略不計的電流才有效。

峰值和長期平均電流

確定峰值電流和LTAC需要檢查裝置的瞬態(tài)電流（圖1）?？稍趯嶒炇沂褂脺y試夾具進行測試?；蛘?，可以手動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(tǒng)設計，電流消耗有多種不同的模式。實例A顯示了一個穩(wěn)態(tài)電流，這是最簡單的場景。因為電流水平是恒定的，LTAC和峰值電流相等。

工況B常見于許多單用途系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，短暫的高電流活動的突發(fā)被長的、低電流的睡眠期分開。LTAC將高度依賴于活動與睡眠的時間段及其各自的電流。峰值電流出現在激活期間。

實例C和實例D是具有混合電流使用模式的許多多功能系統(tǒng)的典型實例。在這兩種情況下，各種開關都是間歇性的。

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

電壓范圍

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

根據規(guī)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。隨著蓄電池放電，蓄電池的電壓輸出以非線性方式緩慢下降。

?圖2蓄電池輸出電壓隨時間變化。

放電曲線從A開始，說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。

放電會迅速降低區(qū)域（B、C和D）的電壓，其中會出現更線性的放電輪廓。

在曲線（E）的拐點處，流量被認為是完全的。

根據其化學性質，超過E的放電有時會損壞蓄電池。許多充電電池管理系統(tǒng)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，系統(tǒng)電壓會逐漸降低。如果系統(tǒng)能夠降到E或F，則充分利用電池的能量供應。如果系統(tǒng)在C至D范圍內停止工作，則電池的全部容量未被使用。

改進性能

為了充分利用電池容量，系統(tǒng)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(tǒng)電子設備在進入電池的VMIN之前關閉，您可以：

通過串聯使用電池來提升VMIN。蓄電池的數量取決于蓄電池電壓和系統(tǒng)的最低電壓需求。

通過在電力系統(tǒng)中使用低壓降（LDO）調節(jié)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

簡單的Ah額定值和公稱電壓可能會產生很大的誤導。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中的曲線顯示了典型AA電池在五種不同電流下的放電曲線。

AA堿性放電電流與使用時間。

?圖3。AA堿性放電電流與使用時間。

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

較高的放電電流通常會產生較低的Ah額定值，因此廠商通常會在很低的放電電流下說明Ah額定值，以獲得更好的容量數字。如您所見，重要的是要尋求有關容量測試的更多細節(jié)，并且如果可能的話，檢查針對類似于系統(tǒng)LTAC的當前值繪制的流量曲線。

值得強調的是，電池容量并不是一個單一的、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反應，其性能與溫度高度相關。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，隨著溫度的下降，性能從超過7個小時急劇下降到不足1個小時。

電池放電曲線顯示了在一定溫度范圍內的使用時間。

?圖4。電池放電曲線顯示了在一定溫度范圍內的使用時間。

許多廠商使用熱電池（25°C至30°C）進行測試，以產生更好的容量數字。在設計電池組時，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：無線恒溫器

為了鞏固我們迄今為止所學到的知識，讓我們來看一個案例研究。圖5展示了ZigBee無線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無線恒溫器的示例要求/規(guī)范。 

在本例中，恒溫器每隔60秒通過網絡進行無線報告。該設備通電250毫秒，使用9.3 mA。然后休眠，使用4.2μA，持續(xù)60秒。

LTAC為43μA，為堿性AA電池提供超過7年的使用時間，為AAA電池提供超過3年的使用時間。ZigBee標準要求設備的電池壽命超過兩年，因此這兩種類型的電池都提供了可接受的使用時間。

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

兩個串聯電池提供的組合最小電壓為2 x 0.8 V=1.6 V，這意味著當系統(tǒng)在1.9 V（每個電池0.95 V）下停止工作時，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)的底部進行更仔細的分析。

由于ZigBee恒溫器大部分時間都處于微功率（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。

大電流并聯電池

為了獲得適當的使用時間，可能需要并聯蓄電池。這樣做時，電線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，互聯電阻及其位置可能會影響電池負載。

在大電流放電和充電時保持電池電流平衡需要注意細節(jié)，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。

實例1說明了將兩個大電流電池并聯以增加容量和沖擊電流能力的常見方法（如果不理想的話）。當負載需要大電流沖擊時，電池電流Ia和Ib將不相等，因為來自左側電池兩側的Rwire存在額外的電阻。在大電流情況下，電阻可能顯著。案例2（良好）通過確保每個電池都有一個串聯的Rwire來糾正沖擊電流不平衡。

實例3是實例1中問題的延伸，三個電池將經歷三個不同的沖擊電流。案例4通過使用連接匯流條重新平衡所有三個電池的電阻路徑來解決問題。情況5平衡所有電池的電阻路徑，不需要匯流條連接點。

最后，在組合電池時，應保持匹配。為獲得最佳性能，使用相同的使用年限、類型、型號和廠商。

安全配置電池組

鉛酸蓄電池和堿性蓄電池必須單獨購買，并手動配置成一個連接的陣列。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業(yè)制造商裝配。

由于鋰離子電池的安全問題，許多制造商不愿意在公開市場上提供未受保護的電池。相反，一種常見的方法是僅向經認可的電池組制造商銷售未受保護的電池，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內置電池管理和安全電子設備的預裝配電池陣列模塊。其中一些電池組具有安全監(jiān)管認證，這可以節(jié)約成本和時間。

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(guī)性測試應該讓您的產品遠離晚間新聞。

主要注意事項

本文中我們已經介紹了很多信息。以下是我們討論中最重要的幾點：

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

可通過確定長期平均電流（LTAC）來估計或測量系統(tǒng)功率要求。

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

蓄電池的化學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題。