德国RYDIAN研发工程师手把手教您如何为仪器和设备选择合适的电池

前言：

电源是每个电子电器开发项目的重要组成部分。从太阳能、电动汽车到便携式游戏机和智能手机，电池构成了这些电源的绝大部分。那么，为什么大多数工程师在学校里从未学过电池选型呢？本文将带您了解如何为您的项目选择合适的电池，并概述那些学校里不会教的实用细节。

本文将涵盖以下主题：

1. 定义并详细说明重要的电池规格（电压 / 电流、能量密度、生命周期等）

2. 如何确定电池尺寸（含示例）

3. 几种最常见电池化学组成的对比研究

原电池与二次（可充电）电池

首先要考虑的是，您的应用是否需要原电池或二次电池。原电池是不可充电的，而二次电池是可以充电的。原电池的自放电率通常较低，每年约为2%。对于低使用率的设备，原电池的保质期更长，而且价格便宜得多。

决定电池规格

要为您的项目选择合适的电池，您需要了解哪些规格很重要以及它们的含义。这将使您能够针对特定应用做出最明智的决定。下面是一些基本的规格。

电压和电流

电压

您所供电的设备（负载）将决定您需要的电池电压。例如，大多数微控制器需要3.3V，而无刷直流（BLDC）电机可能需要 100V 或更高。电池电压越接近所需的负载电压，续航时间就越长。除了电池组电压外，关于电池电压还有其他一些需要考虑的因素。

电池单体电压额定值

电池的电压取决于其化学组成。电池在平衡状态下的电压称为标称电压。因此，标称电压是电池充电后的单体电压。对于锂离子电池单体，标称电压为4.2V。如果电池放电至某一电压以下，将造成永久性损坏，这个电压被称为截止电压。锂离子电池单体的截止电压约为 2.8V。

较小的单体电压意味着需要将电池串联以获得更高的电池组电压。将电池单体串联会使它们的电压相加。大多数应用至少需要5V，而大多数化学组成的电池单体电压在 1.2-4.2V 之间。确定电池电压时，另一个主要考虑因素是电压降效应。

电压降

当电池单体在负载下放电时，电压会随着时间的推移沿着放电曲线下降。不同化学组成的电池单体具有不同的放电曲线。这种随时间的电压下降被称为电压降。这意味着在您的应用运行过程中，电池电压在负载下可能会下降多达35%。充电时也会产生类似的效应，但方向相反。下图显示了几种常见化学组成电池的放电曲线。请注意，这些放电曲线代表了每种电池在其额定电流下的工作情况。

锂离子、铅酸、镍氢和碱性电池的放电曲线对比图。x 轴为放电深度，y 轴为电压。 电池放电曲线对比

电流

如果需要，以下福禄克的文章对电流有基本的复习。电池电流是决定电池续航时间的主要因素。电池电流以安时（Ah）表示。安时是指在 1 小时内使电池完全放电的电流大小。例如，如果您有一个 5Ah 的电池，而负载消耗 2.5A 的电流，那么您的电池将运行 2 小时。除了安时，电池还规定了一种与电流额定值密切相关的称为容量的参数。

电池容量

容量与电流额定值的单位相同，是谈论电池电流的一种简略方式。如果像上面的例子中，标称电流额定值为5Ah，那么电池的容量就是 5Ah。换句话说，1C 等于 5Ah。电池以容量来规定最大充电电流 / 最大放电电流。大多数锂离子电池的最大脉冲放电电流为 2C，最大连续充电电流为 0.5C。但在非常短的时间内，您可以提供高达 150C 的电流。定义了容量和电流额定值后，还需了解一下它们的不足之处。

电池容量与实际续航时间

请注意，在几乎所有情况下，您的实际电池续航时间都会比理想情况短。之前的例子，5Ah 的电池，负载消耗 2.5A 的电流，续航时间将为 2 小时。这个等式在理论上是正确的，但在实践中，实际续航时间将在很大程度上取决于电流消耗。放电率越高（超过我们例子中的 0.5C，即 2.5A），电池产生电流的工作就越困难，这会降低其效率。

Pololu 网站上关于电池容量的文章对放电电流与续航时间有一个很好的类比。文章指出：“电池的电流和容量就像汽车的速度（电流）和续航里程（容量）。如果您的车续航里程为 300 英里，您可以以每小时 30 英里的速度行驶 10 小时，或者以每小时 60 英里的速度行驶 5 小时。但您的效率会随着速度的提高而降低，所以当您以每小时 60 英里的速度行驶时，您可能只行驶 4 小时就会耗尽汽油，续航里程为 240 英里。”

电池单体的串联与并联

简单说一下电池单体的串联与并联。如上所述，将电池单体串联会将它们的电压相加，而将电池单体并联会将它们的电流相加。电池组用S（串联）和 P（并联）表示。例如，一个 6S2P 的电池组有两个并联的模块，每个模块由 6 个串联的电池单体组成。对于容量为 2.5A 的锂离子电池单体，一个 6S2P 的电池组相当于约 24V（6×4.2V）和 5Ah（2×2.5Ah）。

要点：

1. 标称电压：电池单体的最大电压

2. 截止电压：二次电池有严格的放电限制

3. 电压降：在运行过程中，电压会随时间下降

4. 电池续航时间（小时）= 容量（Ah）/ 负载电流消耗（A）

5. 随着电流消耗的增加，续航时间的计算结果与实际情况的偏差会增大

6. 串联的电池单体将它们的电压相加

7. 并联的电池单体将它们的电流相加

电池的容量和温度

在为项目选择合适的电池时，必须考虑温度。随着温度的降低，电池容量会下降。电池容量规格是在室温（25 摄氏度）下额定的。较大的温度波动也会影响电池的性能和生命周期。对于铅酸电池，温度每升高8 摄氏度，生命周期就会缩短一半。生命周期是指电池在其整个使用寿命中能够承受的充放电次数。几乎所有的化学组成在某种程度上都与温度有这些相同的关系。为了确定哪些化学组成的电池具有适合应用的温度额定值，再次使用电池放电曲线。

放电曲线与温度

下图显示了锂离子电池单体在不同温度下的电压与容量关系。请注意，随着温度的降低，电压降发生得更快，从而限制了容量和电池续航时间。还要注意，容量实际上随着温度的升高而增加。当温度升高时，电池单体内部的化学反应加快，从而增加了容量和性能。但这也有负面影响。在高温下运行时，电池的生命周期会以更快的速度缩短。如果温度超过80 摄氏度，锂离子电池甚至可能起火。

锂离子电池在- 20 至 40 摄氏度温度范围内的放电曲线。

不同温度下的锂离子放电曲线

要点总结：

1. 如果在高温下运行，电池的生命周期会以更快的速度缩短

2. 随着温度的降低，电压降会以更快的速度发生，从而限制容量和续航时间

电池的能量密度

能量密度是指电池单位体积（瓦时/ 升）所包含的能量。另一种理解能量密度的方式是，它是相对于电池尺寸的续航时间量。更高的能量密度意味着更小的电池可以存储更多的能量，这总是一件好事。电池功率以瓦时（Wh）定义。瓦时定义为电压 × 安时。瓦时表示电池在一小时内可以产生的瓦数功率。

另一个密切相关的术语是比能量。比能量将能量与电池重量（瓦时/ 千克）而不是体积（瓦时 / 升）联系起来。尽管能量密度告诉您电池可以存储多少能量，但它并没有告诉您电池可以以多快的速度释放这些能量。

电池的功率密度

功率密度是指设备释放其存储能量的速度。功率密度高而能量密度低的电池可以以非常高的速率放电，但会很快耗尽电池。功率密度定义为瓦/ 千克（瓦 / 千克），而能量密度为瓦时 / 千克（瓦时 / 千克）。这个细微的差别有很大的影响。如您所见，能量密度包含了时间因素，用于衡量电池可以提供给定功率量的时间。另一方面，功率密度是在给定时间的功率量度或瞬时功率量度。功率密度与电流成正比，因此随着电池最大电流的增加，功率密度也会增加。

要点总结：

1. 能量密度：电池可存储的能量 / 电池体积

2. 越高意味着电池续航时间越长，体积越小

3. 比能量：电池可存储的能量 / 电池重量

4. 越高意味着电池续航时间越长，重量越轻

5. 功率密度：电池释放存储能量的速度， 越高意味着可以输出更多电流

电池的放电/ 自放电率

如电压部分所定义，放电曲线显示了电池电压如何随时间下降，这取决于温度和电流消耗。自放电是指电池在不使用时电量耗尽的现象。所有电池都会自放电，但自放电率将取决于电池的化学组成。

大多数原电池的自放电率较低。它们是一次性使用的设备，需要很长的保质期。自放电率受温度、充电状态和其他参数的影响。下面的图表显示了各种化学组成的自放电率对比。

七种不同化学组成的自放电率和保质期对比图。

常见电池的自放电率

要点总结：

1. 所有电池在不使用时都会有一定程度的自放电

2. 原电池的自放电率通常较小

放电深度（DoD）/ 充电状态（SoC）

放电深度定义为电池已放电的量占其总容量的百分比。即：

放电深度= 放电容量 / 总容量

这可以表示为百分比或安时。充电状态则相反，表示电池的充电程度，以百分比或安时为单位。这些测量很重要，因为如果放电低于其放电深度额定值，大多数电池的生命周期将会显著缩短。一些现代电池具有更大的放电深度额定值，称为深循环电池。

深循环电池

深循环电池通常可以承受80% 或更高的放电深度，具体取决于电池的化学组成。对于需要较长电池寿命且电流消耗恒定的应用，它们是一个不错的选择。需要短时间能量爆发的应用可能不会从深循环电池中获得太多好处。

尽管深循环电池可以承受更大的放电深度，但限制放电深度仍然是延长电池生命周期的好主意。那么，我们如何知道何时达到了放电深度，需要关闭电池呢？

我们都非常习惯在手机和设备上看到电池百分比报告，似乎确定放电深度和充电状态是很简单的事情，但实际上可能比预期的要困难。

库仑计数

由于电池电压会随温度、放电率、使用年限等因素而变化，因此充电状态和放电深度可能难以测量。正因为如此，不能用电池电压来推断放电深度/ 充电状态。相反，通常使用一种称为库仑计数的方法。库仑计数通过测量进出电池的电流来估计充电状态 / 放电深度。

库仑计数仍然不是完美的，因为电池存在能量损失。这些能量损失表现为热量，电池的输出电流永远不会与输入电流完全匹配。但对于一个复杂的问题，它提供了足够接近的估计。在寻找电池管理或监控系统（BMS）时，确保它使用库仑计数，而不仅仅是电压监控。任何值得购买的电池管理系统都应该内置欠压保护，以执行放电深度限制。

要点：

00001. 放电深度（DoD）：电池已放电的量占其总容量的百分比

00002. 充电状态（SoC）：电池的充电程度，以百分比表示

00003. 深循环电池可以承受更高的放电深度（通常为80% 或更高）

00004. 深循环电池最适合需要长电池寿命的恒定电流应用

00005. 简单的电压监控不足以确定放电深度或充电状态

00006. 库仑计数被公认为行业标准，因此确保您的监控系统不使用电压监控。

充电循环次数（生命周期）

生命周期是指电池在其使用寿命中能够承受的充放电循环次数。显然，这只适用于可充电的二次电池。随着时间的推移，电池失去充电至其原始容量的能力。大多数制造商使用原始容量的80% 这一指标来定义电池何时达到其完整的 “生命周期”。也就是说，生命周期是指您可以对电池充电的次数，直到它只能达到原始容量的 80%。电池在达到这个点后仍可使用，但会继续退化。不同化学组成的电池具有不同的生命周期。

充分延长电池寿命的方法

如何优化您的电池生命周期？确保最佳生命周期的一些技巧是在温和的温度下运行，限制放电深度，并以慢速率完成完全充电循环。对于铅酸电池，放电不要超过50% 的放电深度。对于锂离子电池，您可能可以承受 80% 的放电。下面的图表包含了各种化学组成的电池及其生命周期 / 建议的放电深度。

铅酸、镍氢、锂离子和锂聚合物电池的生命周期和放电深度对比图。

电池生命周期和放电深度对比

要点：

1. 电池生命周期：电池可以充电的次数，直到它只能达到其原始容量的 80% 或更低。

2. 不同的化学组成具有不同的生命周期，从数百次到数千次充放电循环不等

3. 通过避免极端温度、限制放电深度并始终以慢速度完成完全充电来优化生命周期

电池管理系统（BMS）

在为您的项目选择电池时，电池管理系统（BMS）是一个重要的考虑因素。这可能会增加复杂性和成本，但非常重要。有些化学组成的电池需要电池管理系统，而有些则不需要。铅酸和镍镉电池不需要电池管理系统，但锂离子电池需要。这是因为锂离子电池有过热的安全隐患。

在为锂离子电池组选择电池管理系统时，您需要检查一些关键功能。每个电池管理系统必须具备的最关键功能是欠压/ 过压保护和过温保护。如果任何电池单体偏离工作电压额定值，应关闭电池组以延长电池生命周期。由于锂离子电池有热失控的倾向，温度保护至关重要。

电池单体平衡

电池管理系统中的电池单体平衡用于补偿各个电池单体以不同速率充放电的情况。如果电池组中的一个或多个电池单体在充电或放电时电压不能紧密匹配，可能会导致各种问题。每个电池单体都不完全相同，每个都有略微不同的容量和内阻。或者，如果任何一个电池单体损坏，该电池单体可能比其他电池单体更快地达到最大充电电压。在充电过程中，损坏的电池单体会导致过早的过压情况。所有其他电池单体将无法达到其最大充电量，续航时间将会受到影响。在放电过程中，损坏的电池单体可能比其他电池单体容量更小，导致过早的欠压情况。这也会导致可用电池容量/ 续航时间的损失。为了解决这个问题，电池管理系统使用电池单体平衡来确保所有电池单体均匀地充放电。大多数电池管理系统具有称为被动平衡的功能，但更先进的系统具有称为主动平衡的功能。

被动与主动电池单体平衡

被动电池单体平衡是指仅在充电过程中平衡电池单体的系统。它通过对任何出现过压的电池单体被动地释放电荷来实现。主动平衡在充电和放电过程中都分配电荷。主动电池单体平衡不太常见，并且由于增加的复杂性而更昂贵。

任何值得购买的现成锂离子电池组都应该内置电池管理系统。如果自己组装电池组，有一些不会花费太多的选择。最实惠的选择是一个总部位于英国的品牌，DALY。他们销售各种尺寸的产品，放电额定值从 15A 到 120A。这里是购买链接。购买电池管理系统时，确保它具有以下列出的最低功能。

要点总结：

1. 检查您选择的电池化学组成是否需要电池管理系统

2. 确保您购买的任何电池管理系统具有以下最低功能集

3. 欠压 / 过压保护

4. 过温保护

5. 被动电池单体平衡

给电池选择充电装置

在选择任何二次电池时，还需要考虑充电要求。不同化学组成的电池需要不同的充电程序，因此需要不同的充电器。例如，锂离子电池的充电分为三个不同的阶段。第一阶段的预处理确保电池单体准备好接收全充电电流。第二阶段开始恒定电流充电，将电池单体提升至其额定的4.2V。最后，恒定电压充电在保持安全的 4.2V / 单体的同时为电池充满电。一些锂离子充电器还支持快速充电，可以更快地为电池单体充入最初的 25-50% 电量。

另一方面，镍氢电池很难准确检测充电结束。出于这个原因，镍氢电池以慢得多的速率充电更长时间。这确保了施加正确的充电量。

您的电池所需的总充电时间应该被考虑，这将取决于尺寸、化学组成和充电方法。

要点总结：

1. 确保购买与您的电池化学组成相匹配的充电器

2. 充电时间会因电池化学组成而异

尺寸/ 形状 / 重量

尺寸、形状和重量可能是为项目选择电池的关键部分。有些化学组成的电池比其他的有更多选择。锂离子电池有几种不同的尺寸，但通常您会受到某种标准圆柱形电池的限制。因此，在定制电池组形状方面，您能做的有限。铅酸电池需要液体电解质，因此通常受到某种摩托车或汽车电池包装类型的限制。但有几种化学组成的电池在包装方面有更大的灵活性。

决定定制电池组的尺寸

锂聚合物（LiPo）电池在电池组尺寸和重量方面是最灵活的之一。锂聚合物电池有各种形状和尺寸。这些是类似 pouch 的电池，使用凝胶基质，使其非常适合定制。通常，它们有矩形或正方形包装，但也有圆柱形甚至圆形包装。镍氢（NiMH）电池也有一定的灵活性。尽管它们大多是圆柱形包装，但这些电池的长度和直径可以有很大差异。

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