电池电源是现代设备的必备电源，即使是插入式设备也经常配备内置电池，以便在断电时保护关键系统。在当今众多的移动和便携式设备中，交流电源线已被降级为电池充电。
　　许多设备火灾、产品召回和爆炸都可以追溯到电池系统设计不当。此外，许多终用户对设备的电池容量不足以度过典型一天的使用感到沮丧。显然，有很多边缘电池系统需要改进。
　　部分问题在于电池容量值可能会产生误导。不同供应商的测试方法和测试条件各不相同，因此请务必注意两者的细节。本文有望为您提供解读电池规格并为您的系统选择正确解决方案所需的工具。
　　定义电源要求
　　电子系统的功耗根据应用的不同可能会有很大差异。在一种极端情况下，超级计算机的运行功率为兆瓦；在一种极端情况下，超级计算机的运行功率为兆瓦。另一方面，现代电子表的工作功率为 2 至 6 mW。准确确定设计在这个广泛的能量谱中的位置是定义是否可以使用电池以及如果可以使用电池策略应该是什么的重要部分。
　　在定义系统的电源要求时，我们需要考虑以下因素：
　　利用时间。
　　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，包括所需的和电压。
　　使用时间
　　电池容量以电流和时间来衡量，本质上是电池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。终，电池组不仅需要提供正确的电流量（我们将很快讨论这一要求），而且需要在系统使用期间持续提供电流。
　　使用时间很简单，就是在电池需要充电或更换之前您应该能够使用设备的时间。这里有些例子：
　　手机使用时间：>20小时。
　　烟雾探测器的使用时间：>12个月。
　　任何ZigBee设备的使用时间：>2 年（强制）。
　　对于无线鼠标或手持遥控器之类的东西，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 乘以我们定义为更换电池之前的值的点击次数。然而，设备在点击事件之间消耗的电流可以忽略不计，这样才能有效。
　　峰值和长期平均电流
　　确定峰值电流和 LTAC 需要检查器件的瞬态电流（图 1）。这可以在实验室中使用测试夹具来完成。或者，可以手动估计所有活动电路的计数。

　　四种不同的功率预算电流曲线。

　　图 1.四种不同的功率预算电流曲线。
　　根据系统设计，可能有多种不同的电流消耗曲线。情况 A 显示了稳态电流，是简单的情况。由于电流水平恒定，因此 LTAC 和峰值电流相等。
　　情况 B 对于许多单一用途系统来说很常见。在这些系统中，短暂的高电流活动爆发被长时间的低电流睡眠周期所分隔。LTAC 将高度依赖于活动与睡眠的时间段及其各自的电流。峰值电流出现在活动期间。
　　 C 和 D 是许多具有混合当前使用情况的多功能系统的典型。在这两种情况下，各种事物都会间歇性地打开和关闭。
　　在构建硬件之前，我们可以根据系统的高电流设备及其预期的活动时间量对 LTAC 进行初步估计。机电设备（例如电机、伺服系统和螺线管）往往是的功耗，但显示灯、高性能现场可编程门阵列 (FPGA) 和多核微处理器也可能在功耗预算中占据主导地位。
　　电压范围
　　系统电子设备的和工作电压取决于电源系统设计。如果电池电源直接馈送到有源电路，则工作电压会受到这些电路的限制。许多电源系统预先使用某种形式的电压调节器，从而允许更宽的功能电压范围。
　　确定电源要求后，可以将电池安装到电子设备上。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的典型电池放电曲线。随着电池放电，电池的电压输出以非线性方式缓慢下降。
　　电池输出电压随时间的变化。
　　图 2.电池输出电压随时间的变化。
　　让我们分解一下这个图。
　　放电曲线从 A 开始，它表示新的性电池或充满电的设备（其中电池由充电器充满）。
　　放电迅速将电压降低到出现更线性放电曲线的区域（B、C 和 D）。
　　在曲线拐点 (E) 处放电被视为完成。
　　根据其化学性质，超过 E 的放电有时会损坏电池。许多可充电电池管理系统在 E 时保护性切断以避免这种情况，尽管性电池通常在 F 时使用。
　　随着电池放电，系统的电压逐渐降低。如果系统可以在低至 E 或 F 的情况下运行，则表明它充分利用了电池的能量供应。如果系统在 C 至 D 范围内停止运行，则表明电池的全部容量未被使用。
　　提高绩效
　　为了充分利用电池容量，系统电子设备需要有一个电压范围，其中包括电池组的和电压。如果系统电子设备在达到电池的V MIN之前关闭，您可以：
　　通过使用串联电池来提高V MIN 。电池的数量取决于电池电压和系统的电压需求。
　　通过在电源系统中使用低压差 (LDO) 稳压器或升压转换器，使电子器件能够在较低的电池电压下运行。
　　电池的放电行为
　　简单的 Ah 额定值和标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，深入了解电池在使用过程中的放电情况很有用。
　　电池放电曲线可以为设计合适的电池组提供便捷的方法。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 碱性电池放电电流与使用时间。

　　图 3. AA 碱性电池放电电流与使用时间的关系。
　　这些曲线显示 0.9 Ah 和 1.9 Ah 之间的 Ah 额定值。供应商声明的该特定电池的容量为 2.7 Ah，这应该让您了解这些值有多么误导。
　　较高的放电电流通常会产生较低的 Ah 额定值，因此供应商通常会在非常低的放电电流下声明 Ah 额定值，以获得更好的容量值。正如您所看到的，寻求有关容量测试的更多详细信息非常重要，并且如果可能的话，检查为类似于系统 LTAC 的电流值绘制的放电曲线。

　　值得强调的是，电池容量并不是一个单一的、严格的数字。为了避免电池损坏，我们需要留出一些余量，并考虑峰值电流和 LTAC。表 1 显示了容量如何随负载电流变化。

　　表 1.性碱性电池（AAA 至 D）的电池容量与放电电流。
　　性碱性电池（AAAA 至 D）的电池容量与放电电流。
　　温度的重要性
　　当前并不是我们的考虑因素。作为一种电化学反应，电池性能非常依赖于温度。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。考虑图 4，它显示随着温度下降，性能急剧下降（从七个小时以上减少到不到一小时）。

　　电池放电曲线显示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。
　　许多供应商使用热电池（25°C 至 30°C）进行测试，以产生更好的容量数据。设计电池组时，您不仅需要考虑电池本身，还需要考虑操作环境的温度及其与测试环境的差异。
　　研究：无线恒温器
　　为了巩固我们迄今为止所学到的知识，让我们看一个研究。图 5 显示了 ZigBee 无线恒温器的能量和寿命计算示例。这种低功耗设备非常适合性电池的应用。

　　由性电池供电的 Zigbee 无线恒温器的示例要求/规格。

　　图 5.由性电池供电的 ZigBee 无线恒温器的示例要求/规格。
　　在此示例中，恒温器每 60 秒通过网络无线。该设备的运行时间为 250 毫秒，使用电流为 9.3 mA。然后它会使用 4.2 μA 的电流休眠 60 秒。
　　LTAC 为 43 μA，碱性 AA 电池的使用时间超过七年，AAA 电池的使用时间超过三年。ZigBee 标准要求设备的电池寿命超过两年，因此两种类型的电池都提供可接受的使用时间。
　　恒温器的工作V MIN为 1.9 V。然而，碱性电池完全放电时的电压仅为 0.8 V。串联使用两节电池是一个合适的解决方案。
　　两个串联电池提供的组合电压为 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）停止运行时，电池并未完全放电。然而，如果使用 AA 电池，两年的要求还有足够的余量。如果需要，可以使用 1.6 V 作为放电周期的底部进行更仔细的分析。
　　由于该 ZigBee 恒温器大部分时间都处于微功耗 (4.2 μA) 睡眠模式，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，从而大大增加睡眠模式下的电流。
　　大电流并联电池
　　为了获得适当的使用时间，可能需要并联电池。这样做时，接线中的电流电阻下降需要保持平衡，以便电池向负载提供相等的电流。互连电阻及其放置位置会影响高浪涌电流情况下的电池负载。
　　保持高电流放电和充电的电池电流平衡需要注意一些细节，如图 6 所示。

　　高电流电池连接的五种不同配置。

　　图 6.高电流电池连接的五种不同配置。
　　 1 展示了一种常见（但不太理想）的方法，即并联放置两个高电流电池以增加容量和浪涌电流能力。当负载需要大电流浪涌时，由于左侧电池两侧的R线存在额外的电阻，电池电流Ia和Ib将不相等。在高电流情况下，电阻可能很大。情况 2（良好）通过确保每个电池都有串联的单根R线来修复浪涌电流不平衡问题。
　　 3 是将 1 中的问题扩展到将经历三种不同浪涌电流的三个电池。 4 通过使用连接在一起的母线重新平衡所有三个电池的电阻路径来解决该问题。 5 平衡所有电池的电阻路径，无需母线连接点。
　　，在组合电池时，保持它们匹配。为了获得性能，请使用相同的年龄、类型、型号和供应商。