?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(xiàn)代設備的必備品，即使是插入式設備，也經(jīng)常配備內(nèi)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(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(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(chǎn)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(jù)電流和時間來測量的，這是電池能夠產(chǎn)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(shù)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(shù)。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(shù)。

?圖1四種不同的電力估算電流配置文件。

根據(jù)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(xiàn)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(jù)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(xiàn)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(diào)節(jié)器，允許更寬的功能電壓范圍。

根據(jù)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(xiàn)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(jù)其化學性質(zhì)，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(nèi)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(nèi)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(lián)使用電池來提升VMIN。蓄電池的數(shù)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(diào)節(jié)器或升壓轉(zhuǎn)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(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(chǎn)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(shù)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(diào)的是，電池容量并不是一個單一的、硬性的數(shù)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(nèi)的使用時間。

?圖4。電池放電曲線顯示了在一定溫度范圍內(nèi)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(chǎn)生更好的容量數(shù)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(wǎng)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(lián)是一個合適的解決方案。

兩個串聯(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(zhuǎn)換器來獲取電池的全部能量。降壓-升壓轉(zhuǎn)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?shù)氖褂脮r間，可能需要并聯(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(jīng)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(jīng)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(nèi)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(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：

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(shù)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(xiàn)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(xiàn)重大問題。