基礎(chǔ)電子學(xué)系列29 – 如何選擇電池

在之前的文章中，我們討論了電池的類型和不同的電池組。許多嵌入式電路和設(shè)備依靠電池供電，其中許多設(shè)備使用可能需要更換的原電池。其他嵌入式設(shè)備是可充電的，并使用二次電池來保持供電。

為給定電路或應(yīng)用選擇電池類型、化學(xué)成分或封裝并不困難。優(yōu)缺點(diǎn)以及具體應(yīng)用應(yīng)該是關(guān)鍵考慮因素。堿性電池和鋅碳電池等輕型原電池廣泛用作不可充電設(shè)備中的圓柱形電池。紐扣電池通常用作緊湊型設(shè)備（如手表和手環(huán)）中的原電池，或僅用于為電路的特定部分供電。

可充電嵌入式設(shè)備（即便攜式小工具、移動(dòng)設(shè)備、玩具、耳機(jī)和其他便攜式消費(fèi)設(shè)備）通常使用 NiCd 或 NiMH 圓柱形電池，或者鋰離子矩形或軟包電池。對于藍(lán)牙耳機(jī)等極其緊湊的嵌入式產(chǎn)品，鋰離子軟包電池仍然是首選。需要更長電池壽命的便攜式設(shè)備使用棱柱形（矩形）鋰離子電池。NiCd 和 NiMH 圓柱形電池通常用作成本敏感產(chǎn)品中的二次電池。笨重的鉛酸電池在 UPS 和備用電源等非便攜式應(yīng)用中用作二次電池。

以下因素主要影響應(yīng)用的電池化學(xué)選擇：

• 可重用性——首先需要確定的是給定電路是可充電的還是應(yīng)該依靠電池更換。因此，原電池或二次電池類型可用于該裝置。

• 生命周期耐久性——當(dāng)電池是電路中使用的原電池時(shí)，電池的耐久性成為一個(gè)更為重要的考慮因素。即使它是電路中使用的二次電池，重要的是要注意一個(gè)充電-放電循環(huán)將持續(xù)多長時(shí)間以及電池可以運(yùn)行多少個(gè)循環(huán)而不會損壞（如棱柱形和軟包電池的膨脹）。同樣重要的是要注意二次電池的充電-放電周期的持續(xù)時(shí)間，以確定充電程序和時(shí)間表。

• 能量密度——這是每單位質(zhì)量或體積可以儲存的能量。每種電池化學(xué)物質(zhì)都有特定的能量密度，這會影響電池的尺寸和重量。便攜式設(shè)備本質(zhì)上要求電池輕巧緊湊。非便攜式應(yīng)用程序可能會在重量上做出妥協(xié)，但仍然可能有一些尺寸限制。






• 功率密度——每單位質(zhì)量或體積的最大能量放電率。功率密度在電池化學(xué)對給定應(yīng)用的適用性方面起著重要作用。許多應(yīng)用需要高放電率或可能容易受到突然的功率放電浪涌的影響。這可能會影響電池的安全性。功率密度是影響電路中電池性能的主要因素。

• 安全性——影響電池安全性的兩個(gè)最重要因素是其熱穩(wěn)定性和功率密度。電池應(yīng)具有足夠的功率密度以滿足電路中任何可能的放電率。每種電池化學(xué)物質(zhì)也有特定的工作溫度。在高溫下，電池組件可能會損壞并發(fā)生放熱反應(yīng)。電池應(yīng)有足夠的間距以獲得更好的熱穩(wěn)定性?？赡苄枰峁┮后w冷卻或空氣冷卻等機(jī)制來管理設(shè)備中的熱量。注意不同放電率和電流水平的電池溫度也很重要。

• 幾何形狀和尺寸——不同的電池化學(xué)成分有多種形狀和尺寸可供選擇。對于給定的電池化學(xué)成分，應(yīng)選擇電池的最佳形狀和尺寸，使其不會損害所需的安培小時(shí)容量、生命周期持續(xù)時(shí)間、尺寸或重量限制以及安全性。大多數(shù)棱柱形和軟包電池在長時(shí)間使用后容易膨脹，因此設(shè)備中應(yīng)該有足夠的空間來容納它。






• 成本——最后，電池化學(xué)成分的選擇取決于成本?？梢酝ㄟ^選擇替代電池化學(xué)或包裝來調(diào)整成本。但是，不應(yīng)為了削減成本而犧牲性能或安全性。






一旦確定了電池化學(xué)成分和電池組（基于性能、安全性、便攜性、可充電性和成本考慮因素），您需要確定所需的電池規(guī)格。需要注意的最重要的電池規(guī)格如下：

• 端電壓——任何電池都用作電路中的電壓源。因此，應(yīng)該檢查的第一個(gè)規(guī)格是所需的端電壓。電池電壓應(yīng)始終使用晶體管電路或電壓調(diào)節(jié)器 IC 進(jìn)行調(diào)節(jié)，以避免電池產(chǎn)生任何噪聲或波動(dòng)。如果電池電壓高于電路所需電壓，穩(wěn)壓器還可將電源電壓降低至所需值。如果需要更高的電壓，有時(shí)可能需要使用晶體管放大器對電池供電進(jìn)行升壓。

隨著電池放電，其端電壓開始下降，其內(nèi)阻開始增加。測試電池狀態(tài)的最佳方法是在空載或負(fù)載條件下測量其端電壓。

• 放電率——放電率對于確定電池在電路中的性能尤為重要。這也是決定電池安全性的重要因素。

• 安培小時(shí)容量——電池的能量容量以安培小時(shí)表示。任何電池在完全放電之前都可以將特定數(shù)量的電子轉(zhuǎn)移到電路中。這是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)字——它是電池在特定小時(shí)數(shù)內(nèi)可以輸送到電路的連續(xù)電流的近似值。如果電池的容量為1安培小時(shí)，則表示電池可以提供1A的持續(xù)電流一小時(shí)或2A的持續(xù)電流半小時(shí)，依此類推。安培小時(shí)額定值給出了一個(gè)近似的持續(xù)時(shí)間，即電池在提供一定量的連續(xù)電流時(shí)完全放電之前可以運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。

這始終是一個(gè)近似值，電池可能會在估計(jì)持續(xù)時(shí)間之前完全放電。例如，如果一個(gè) 20 安培小時(shí)的電池可能連接到一個(gè)可能消耗 20A 電流的低阻性負(fù)載，理想情況下，電池應(yīng)該可以工作一小時(shí)。但是，由于加熱，它可能會在一小時(shí)前完全放電。同樣，連接到低功率負(fù)載的電池估計(jì)可以使用數(shù)年。盡管如此，由于與生命周期相關(guān)的因素，如漏電流、電解質(zhì)蒸發(fā)、高溫、濕度或電極劣化，它可能會在預(yù)計(jì)持續(xù)時(shí)間之前完全放電。

電池的安培小時(shí)容量是針對特定電流指定的。制造商還可以提供不同電流和溫度的容量降額曲線。對于二次電池，安培小時(shí)額定值有助于確定充電程序和時(shí)間表。

電池的串聯(lián)和并聯(lián)組合
可能需要連接電池以形成更大的電池組以實(shí)現(xiàn)更高的電壓或電流。當(dāng)電池或電池串聯(lián)時(shí)，電流保持不變，而總電壓是所有電池電壓的總和。串聯(lián)的電池應(yīng)具有相同的安培小時(shí)額定值；否則，安培小時(shí)額定值較低的電池會先于其他電池耗盡，從而導(dǎo)致供電中斷。電池組的總安培小時(shí)額定值與串聯(lián)時(shí)相同。它只是增加了電池組的電壓輸出。

當(dāng)電池或電池并聯(lián)連接時(shí)，電壓保持不變，而總電流是各個(gè)電池/電池的電流之和。并聯(lián)的電池應(yīng)具有相同的端電壓。再次并聯(lián)的電池不會改變整體安培小時(shí)額定值，只會增加輸出電流。

過流保護(hù)
任何類型的電池都會產(chǎn)生反向電流。除此之外，電池供應(yīng)可能會出現(xiàn)波動(dòng)。為了保護(hù)電路免受反向電流和波動(dòng)的影響，應(yīng)使用保險(xiǎn)絲或斷路器。在串聯(lián)電池中，單個(gè)保險(xiǎn)絲足以保護(hù)負(fù)載電路。在并聯(lián)電池中，建議為每個(gè)電池使用單獨(dú)的保險(xiǎn)絲，以免電池超過另一個(gè)電池。斷路器可以像保護(hù)二極管一樣簡單。

過充電保護(hù)
對于二次電池，避免過充電和過放電很重要。為此，最初應(yīng)保持適當(dāng)?shù)某潆姰a(chǎn)品和時(shí)間表。電池充電指示器可用于防止過度充電和過度放電。過充電保護(hù)電路也可用于保護(hù)電池。在某些應(yīng)用中，可以使用直接從直流電源為負(fù)載供電并在任何電源故障時(shí)切換到電池供電的電源電路。在此類應(yīng)用中，可充電電池可用作備用電源。

在下一篇文章中，我們將開始討論半導(dǎo)體技術(shù)——現(xiàn)代電子學(xué)的基礎(chǔ)。