​设计适合您应用的电池组

了解如何设计最符合系统电源要求的电池阵列。本文将帮助您解释电池规格，评估使用寿命，并了解容量、负载和环境之间的关系。

电池电源是现代设备的必备品，即使是插入式设备，也经常配备内部电池，以在电源耗尽时保护关键系统。在今天大量的移动和便携式设备中，交流电源线已经被降为电池充电。

许多装置火灾、产品召回和爆炸都可追溯到电池系统设计不当。此外，许多终端用户对电池容量不足的设备感到失望，无法让其度过一天的使用。很明显，有许多电池系统需要改进。

部分问题在于电池容量值可能会产生误导。厂商之间的测试方法和测试条件各不相同，所以注意这两个方面的细节是很重要的。本文有望为您提供解释电池规格所需的工具，并为您的系统选择正确的解决方案。

确定功率要求

电子系统的功率消耗会随着应用的不同而变化。在极端情况下，超级计算机以兆瓦为单位运行；另一方面，现代电子手表的功率是2~6 mW。精确地确定一个设计在这个宽能量范围内的位置是确定是否可以使用电池以及如果可以的话，电池策略应该是一个重要部分。

在确定系统的功率要求时，我们需要考虑以下内容：

•使用时间。

•使用时的峰值电流。

•所有使用场景的长期平均电流（LTAC）。

•系统的功能电压范围，包括所需的最小和最大电压。

使用时间

电池容量主要是根据电流和时间来测量的，这是电池能够产生固定电流的持续时间。容量值通常以安培小时（Ah）为单位。最后，电池组不仅需要提供正确的电流量（我们将简短讨论这一要求），而且还需要系统在使用期间继续提供电流。

使用时间是直接的-它只是在电池需要充电或更换之前，你应该能够使用多长时间。以下是一些例子：

手机使用时间：>20小时。

感烟探测器使用时间：>12个月。

任何ZigBee设备的使用时间：>2年（强制认证）。

对于像无线鼠标或手持式遥控器这样的设备，指定电池刷新事件之间的点击次数也是一种可能的方法。为了确定必要的电池容量，我们将每次点击使用的Ah乘以我们在更换电池之前定义为最小值的点击次数。然而，设备需要在点击事件之间消耗可忽略不计的电流才有效。

峰值和长期平均电流

确定峰值电流和LTAC需要检查装置的瞬态电流（图1）。可在实验室使用测试夹具进行测试。或者，可以手动估算所有有源电路的计数。

•图1四种不同的电力估算电流配置文件。

根据系统设计，电流消耗有多种不同的模式。实例A显示了一个稳态电流，这是最简单的场景。因为电流水平是恒定的，LTAC和峰值电流相等。

工况B常见于许多单用途系统。在这些系统中，短暂的高电流活动的突发被长的、低电流的睡眠期分开。LTAC将高度依赖于活动与睡眠的时间段及其各自的电流。峰值电流出现在激活期间。

实例C和实例D是具有混合电流使用模式的许多多功能系统的典型实例。在这两种情况下，各种开关都是间歇性的。

在构建硬件之前，我们可以根据系统的大电流设备及其预期活动时间量对LTAC进行第一次评估。机电设备——例如电机、伺服系统和螺线管——将成为最大的功率消耗者，但显示灯、高性能现场可编程门阵列（FPGA）和多核心微处理器也可能主导功率预算。

电压范围

系统电子设备的最小和最大工作电压取决于电力系统设计。如果蓄电池电源直接向有源电路供电，则这些电路会限制工作电压。许多电力系统在前面使用一些形式的电压调节器，允许更宽的功能电压范围。

根据规定的功率要求，电池可安装到电子设备上。电池的电压范围也需要考虑，我们很快就会看到。

电池放电与功能电压范围

图2显示了固定电流负载下典型的蓄电池放电曲线。随着蓄电池放电，蓄电池的电压输出以非线性方式缓慢下降。

•图2蓄电池输出电压随时间变化。

放电曲线从A开始，说明新鲜的一次性电池或完全充电的设备，其中电池由充电器加满。

放电会迅速降低区域（B、C和D）的电压，其中会出现更线性的放电轮廓。

在曲线（E）的拐点处，流量被认为是完全的。

根据其化学性质，超过E的放电有时会损坏蓄电池。许多充电电池管理系统保护性地在E处切断以避免这种情况，尽管一次性电池通常被使用到F。

电池放电时，系统电压会逐渐降低。如果系统能够降到E或F，则充分利用电池的能量供应。如果系统在C至D范围内停止工作，则电池的全部容量未被使用。

改进性能

为了充分利用电池容量，系统电子设备需要具有包括电池组的最小和最大电压在内的电压范围。如果系统电子设备在进入电池的VMIN之前关闭，您可以：

通过串联使用电池来提升VMIN。蓄电池的数量取决于蓄电池电压和系统的最低电压需求。

通过在电力系统中使用低压降（LDO）调节器或升压转换器，使电子设备能够在较低的电池电压下工作。

蓄电池的放电行为

简单的Ah额定值和公称电压可能会产生很大的误导。为了确保选择正确的电池设置，可以更深入地了解电池在使用过程中的放电方式。

电池放电轮廓可以提供设计合适的电池组的便利方式。图3中的曲线显示了典型AA电池在五种不同电流下的放电曲线。

AA碱性放电电流与使用时间。

•图3。AA碱性放电电流与使用时间。

这些曲线显示0.9 Ah和1.9 Ah之间的Ah额定值。该电池的供应商规定容量为2.7 Ah，这应让您了解这些值可能会有多大的误导性。

较高的放电电流通常会产生较低的Ah额定值，因此厂商通常会在很低的放电电流下说明Ah额定值，以获得更好的容量数字。如您所见，重要的是要寻求有关容量测试的更多细节，并且如果可能的话，检查针对类似于系统LTAC的当前值绘制的流量曲线。

值得强调的是，电池容量并不是一个单一的、硬性的数字。为了避免电池损坏，我们需要包括一些余量，并考虑峰值电流和LTAC。表1显示了容量如何随负载电流而变化。

•表1。一次性碱性电池（AAA至D）的电池容量与放电电流。

一次性碱性电池（AAAA至D）的电池容量与放电电流。

温度的重要性

。电池作为一种电化学反应，其性能与温度高度相关。因此，电池的热性能和应用环境的温度是重要的设计考虑因素。如图4所示，随着温度的下降，性能从超过7个小时急剧下降到不足1个小时。

电池放电曲线显示了在一定温度范围内的使用时间。

•图4。电池放电曲线显示了在一定温度范围内的使用时间。

许多厂商使用热电池（25°C至30°C）进行测试，以产生更好的容量数字。在设计电池组时，不仅需要考虑电池本身，还需要考虑操作环境的温度以及它与测试环境的差异。

案例研究：无线恒温器

为了巩固我们迄今为止所学到的知识，让我们来看一个案例研究。图5展示了ZigBee无线恒温器的能量和寿命计算示例。这种低功率设备是一次性电池的良好应用。

•图5。由一次性电池供电的ZigBee无线恒温器的示例要求/规范。 

在本例中，恒温器每隔60秒通过网络进行无线报告。该设备通电250毫秒，使用9.3 mA。然后休眠，使用4.2μA，持续60秒。

LTAC为43μA，为碱性AA电池提供超过7年的使用时间，为AAA电池提供超过3年的使用时间。ZigBee标准要求设备的电池寿命超过两年，因此这两种类型的电池都提供了可接受的使用时间。

恒温器的运行VMIN为1.9V。然而，碱性电池在完全放电时的最低电压仅为0.8V。使用两个电池串联是一个合适的解决方案。

两个串联电池提供的组合最小电压为2 x 0.8 V=1.6 V，这意味着当系统在1.9 V（每个电池0.95 V）下停止工作时，电池不能完全放电。然而，如果使用AA电池，两年的要求有足够的余量。如果需要，可以使用1.6 V作为排放循环的底部进行更仔细的分析。

由于ZigBee恒温器大部分时间都处于微功率（4.2μa）休眠模式，因此不建议使用降压-升压转换器来获取电池的全部能量。降压-升压转换器需要一直运行，从而大大增加休眠模式下的电流。

大电流并联电池

为了获得适当的使用时间，可能需要并联蓄电池。这样做时，电线中的电流电阻降需要保持平衡，以便电池向负载提供相等的电流。在高冲击电流情况下，互联电阻及其位置可能会影响电池负载。

在大电流放电和充电时保持电池电流平衡需要注意细节，如图6所示。

用于大电流电池连接的五种不同配置。

•图6。用于大电流电池连接的五种不同配置。

实例1说明了将两个大电流电池并联以增加容量和冲击电流能力的常见方法（如果不理想的话）。当负载需要大电流冲击时，电池电流Ia和Ib将不相等，因为来自左侧电池两侧的Rwire存在额外的电阻。在大电流情况下，电阻可能显著。案例2（良好）通过确保每个电池都有一个串联的Rwire来纠正冲击电流不平衡。

实例3是实例1中问题的延伸，三个电池将经历三个不同的冲击电流。案例4通过使用连接汇流条重新平衡所有三个电池的电阻路径来解决问题。情况5平衡所有电池的电阻路径，不需要汇流条连接点。

最后，在组合电池时，应保持匹配。为获得最佳性能，使用相同的使用年限、类型、型号和厂商。

安全配置电池组

铅酸蓄电池和碱性蓄电池必须单独购买，并手动配置成一个连接的阵列。然而，使用锂离子（Li-ion）或镍金属氢化物（NiMH）电池的电池组通常由专业制造商装配。

由于锂离子电池的安全问题，许多制造商不愿意在公开市场上提供未受保护的电池。相反，一种常见的方法是仅向经认可的电池组制造商销售未受保护的电池，以便设备正确配备安全电路、充电平衡和支持电子设备。

许多电池组供应商提供大量内置电池管理和安全电子设备的预装配电池阵列模块。其中一些电池组具有安全监管认证，这可以节约成本和时间。

安全测试很重要。大量的手机电池火灾都是由电池的机械外壳造成的，没有足够的空间让电池膨胀。仔细的机电设计审查和安全合规性测试应该让您的产品远离晚间新闻。

主要注意事项

本文中我们已经介绍了很多信息。以下是我们讨论中最重要的几点：

电池规格不规范，供应商之间不一致。因此，设计者需要仔细阅读规范细节和测试条件，以确定有意义的电池容量数字。

可通过确定长期平均电流（LTAC）来估计或测量系统功率要求。

通过将蓄电池放电电压曲线拟合到系统的功率要求，可以实现蓄电池容量的充分利用。

蓄电池的化学成分可能有很大的差异，从而导致相应的性能差异。

蓄电池容量随负荷变化，不是一个固定值。更高的电流使用导致更低的容量性能。

安全测试可以防止道路上出现重大问题。