先進(jìn)的電池包為下一代系統(tǒng)賦能

作者：Alix Paultre，特約編輯

在便攜式、可穿戴、自主和遠(yuǎn)程電子產(chǎn)品的最新革命中，最受討論和強(qiáng)調(diào)的方面之一是電池。問(wèn)題是人們對(duì)它的關(guān)注過(guò)多和不夠關(guān)注。他們?yōu)橐?guī)模付出了太多，而對(duì)需求、能力和功能付出的卻很少。

設(shè)計(jì)工程師了解為其應(yīng)用選擇最優(yōu)化解決方案的重要性，尤其是在設(shè)備具有苛刻的電源要求時(shí)。選擇合適的電池解決方案將直接影響設(shè)備的性能和最終用戶的體驗(yàn)。了解電池化學(xué)成分和電池選擇以及電池管理系統(tǒng)將指導(dǎo)正確的電池選擇和/或設(shè)計(jì)。

尺寸：重要嗎？在儲(chǔ)能方面，電池的大小重要嗎？實(shí)際上，尺寸并不像安全性或操作可靠性等重要。純功率不一定是滿足設(shè)計(jì)需求的靈丹妙藥。通過(guò)添加更大或補(bǔ)充的電池可以輕松解決每個(gè)范圍或運(yùn)行時(shí)間問(wèn)題，并且存在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的活躍售后市場(chǎng)可以做到這一點(diǎn)。但這往往是不夠的。

問(wèn)題在于能夠以消費(fèi)者可接受且能夠產(chǎn)生利潤(rùn)的價(jià)格點(diǎn)提供系統(tǒng)在合理時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)主要功能所需的能量。然而，在許多情況下，在設(shè)計(jì)定制電池時(shí)，尺寸是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。對(duì)于設(shè)備制造商而言，電池要求通常是事后考慮，也是確保設(shè)計(jì)工程師能夠提供支持所需外形尺寸的機(jī)械要求的電池的重要組成部分。

我們最近與 VARTA 就開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和電池選擇的工程師所面臨的問(wèn)題進(jìn)行了交談。VARTA Microbattery 的項(xiàng)目經(jīng)理 Arkadiy Niyazov 解釋說(shuō)，對(duì)于許多工程師來(lái)說(shuō)，與其說(shuō)是電池容量，不如說(shuō)是外形和功能。Arkadiy 指出：“定制電池組通?？梢愿玫貫榭蛻舴?wù)，因?yàn)樗粌H可以為電力需求提供最佳解決方案，而且還可以滿足安全性和功能性?！?/p>

例如，在瞬息萬(wàn)變的鋰離子電池行業(yè)，傳統(tǒng)的18650電芯尺寸并不是唯一的選擇。21700 和 26650 等新選項(xiàng)現(xiàn)在變得更容易獲得，為設(shè)計(jì)工程師提供了更多選擇，以滿足支持終端設(shè)備機(jī)械規(guī)格所需的形式、配合和功能，同時(shí)仍提供系統(tǒng)所需的能量。

談到今天的能源管理，通常不是電池有多大，而是它驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)有多高效。在兩個(gè)幾乎相同的物聯(lián)網(wǎng)可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)中的兩個(gè)相同電池的假設(shè)情況下，具有更好天線匹配的電池將比設(shè)計(jì)不太優(yōu)雅的系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的電池壽命。另一個(gè)例子可以在即將到來(lái)的基于寬帶隙半導(dǎo)體的顛覆性電力電子浪潮中找到，它不僅具有更高的效率，而且具有更高的功率密度、更小的尺寸和更低的冷卻要求。

購(gòu)買還是建造？嵌入式設(shè)計(jì)工程中最基本的問(wèn)題之一是采購(gòu)子系統(tǒng)是現(xiàn)成的、定制的還是自己動(dòng)手做的。對(duì)于像電池這樣的模塊化子系統(tǒng)，這可能是一個(gè)很難問(wèn)自己的問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)電池尺寸不僅隨時(shí)可用，而且是一個(gè)成熟的接口，擁有強(qiáng)大的客戶和行業(yè)支持。

VARTA 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師（電源組解決方案）Stefan Hald 提供了現(xiàn)場(chǎng)視角，他說(shuō)：“我看到很多來(lái)自專業(yè)領(lǐng)域的要求，因?yàn)樗麄冃枰獫M足應(yīng)用所需的冗余電氣和熱安全和保護(hù)。電池必須盡可能小，但還必須包括冗余和監(jiān)控功能。我們還看到很多要求使用 LED 指示燈來(lái)指示運(yùn)行狀態(tài)、閃爍的故障代碼等?！?/p>

具有相對(duì)較大外形尺寸的消費(fèi)產(chǎn)品最難做出決定，因?yàn)橛凶銐虻目臻g來(lái)容納標(biāo)準(zhǔn)電池，而無(wú)需擔(dān)心包裝或尺寸妥協(xié)。這也適用于已經(jīng)適應(yīng)傳統(tǒng)電池采用的外形尺寸的產(chǎn)品。

回避這個(gè)問(wèn)題的一種方法是兩者兼而有之，創(chuàng)建一個(gè)定制的電池解決方案，該解決方案也可以與現(xiàn)成的電池一起使用。擁有這樣做資產(chǎn)的公司通常這樣做是為了最大限度地滲透市場(chǎng)，同時(shí)為客戶提供升級(jí)路徑和配件銷售渠道來(lái)支持它。我想到了視頻游戲控制器和相機(jī)，這兩種產(chǎn)品都是高使用率（高耗電）產(chǎn)品，其客戶群從入門級(jí)新手到熱情的專業(yè)人士不等。這顯然不是每個(gè)制造商都可以做到的，因此很難做出決定。

在“軟”方面，出于營(yíng)銷和實(shí)際原因，多種電源選擇對(duì)制造商和消費(fèi)者都有好處。標(biāo)準(zhǔn)電池通常是默認(rèn)選擇，除非存在妨礙使用現(xiàn)成電池的外形因素。直到最近，外形問(wèn)題還是制造商采用定制解決方案的主要原因。

通常，用戶接受度和外形尺寸齊頭并進(jìn)。單個(gè)薄的可拆卸電池吸引了客戶，同時(shí)還為制造商提供了外形尺寸和內(nèi)部功能。例如，這款 1,590 mAh VARTA EasyPack SLIM 最大尺寸為 5.2 毫米，具有 CE 標(biāo)志、UL 2054 認(rèn)證和 IEC62133 第 2 版合規(guī)性。這種解決方案通常是兩全其美的解決方案，因?yàn)樗莵?lái)自多個(gè)供應(yīng)商的多個(gè)產(chǎn)品可以共享的“標(biāo)準(zhǔn)定制”解決方案。

包裝功能然而，優(yōu)化電池解決方案的優(yōu)勢(shì)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)在您的產(chǎn)品中設(shè)計(jì)定制電源組所涉及的額外成本。正如 VARTA 的 Stefan 所指出的，目前最流行的附加功能涉及電池本身，例如電量監(jiān)測(cè)和安全監(jiān)控。然而，通過(guò)將設(shè)備放入電池組來(lái)為其添加功能的能力使設(shè)計(jì)人員能夠以一種新穎的方式提供功能，從而為客戶提供輕松的裝箱、可擴(kuò)展性和可升級(jí)性。

最大的問(wèn)題之一是前面提到的售后附加電池。許多這些非品牌的非處方電池根本沒(méi)有集成安全或安全技術(shù)；通常無(wú)法判斷商店購(gòu)買的電池是來(lái)自制造商的真實(shí)電池，還是只是用騙子拼湊的標(biāo)簽包裹的玩具卷。

有很多關(guān)于假冒劣質(zhì)電池通過(guò)試劑從泄漏的酸到災(zāi)難性的熱失控（一種奇特的說(shuō)法，“它著火了”）破壞產(chǎn)品的故事。定制包裝的第一個(gè)好處是您可以添加一個(gè)用于庫(kù)存和假冒檢測(cè)的 RFID 芯片、一個(gè)用于觀察充電狀態(tài)和熱量的電池監(jiān)控 IC，或者購(gòu)買具有這兩種功能等功能的芯片。

Once you open the battery pack to drop in a chip, your horizons broaden significantly. That chip could be a simple safety and security device, or it could be one of the new crops of IoT wireless ASICs, or it could be a complete SOC that lets you tailor your entire product line by the kind of battery pack it takes.

在設(shè)計(jì)定制電池時(shí)，設(shè)計(jì)工程師需要根據(jù)最適合的技術(shù)來(lái)了解應(yīng)用的電池技術(shù)，在某些情況下，這可能具有非常苛刻的功率要求。此外，了解電池技術(shù)趨勢(shì)將直接影響特定設(shè)計(jì)的方向，包括電池的可用性和新電池尺寸（例如鋰離子 26650 和 21700）。選擇合適的 BMS 與它們可以使用簡(jiǎn)單的電子設(shè)備來(lái)測(cè)量電池電壓同樣重要或更復(fù)雜的 BMS 會(huì)影響電池壽命和性能以及確保安全。

另一個(gè)例子可以在機(jī)器人領(lǐng)域找到。圖 1 顯示了為人類機(jī)器人項(xiàng)目創(chuàng)建的 VARTA 電池組，該項(xiàng)目需要燃料計(jì)量和安全監(jiān)控等高級(jí)功能。該設(shè)計(jì)包括精密鑄造以承受 UL 的機(jī)械力認(rèn)證，用于生產(chǎn)組裝和電池定位的定制電池支架，以及用于電氣控制、電池安全和性能的高度定制的 PCM。機(jī)器人不僅必須遠(yuǎn)程操作，還必須能夠準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)電池電量不足的情況，以便通過(guò)減少電力需求或返回基地充電來(lái)實(shí)時(shí)解決這些問(wèn)題。

圖 1：這個(gè) VARTA 電池組是為人類機(jī)器人項(xiàng)目創(chuàng)建的。

無(wú)線功能上述無(wú)線功能可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。只需在標(biāo)簽中集成一個(gè)廉價(jià)的紙質(zhì) RFID 標(biāo)簽，就可以大大降低假冒風(fēng)險(xiǎn)，并為用戶提供包裝容量等產(chǎn)品信息，甚至可以為被供電的設(shè)備提供與一級(jí)電池功能（如電量等）的基本接口。充電和溫度。

在諸如近場(chǎng)通信 (NFC) 支付等用戶可以選擇的領(lǐng)域，可以通過(guò)電池向設(shè)備添加區(qū)域功能，以解決本地或?qū)Ｓ型ㄐ艆f(xié)議。許多地方現(xiàn)在都接受 NFC 支付，但一些制造商可能不希望在其整個(gè)產(chǎn)品線中部署該功能。這也適用于可能因地點(diǎn)和設(shè)施而異的公司內(nèi)部資源的內(nèi)部安全設(shè)備。

另一個(gè)主要的無(wú)線功能是無(wú)線充電。無(wú)線充電一度被考慮用于更遠(yuǎn)距離的應(yīng)用，它正迅速成為消除電池的最后一英寸解決方案。為產(chǎn)品的電池組添加獨(dú)立的無(wú)線充電功能可帶來(lái)多種好處。這不僅使用戶能夠購(gòu)買多個(gè)電池組并使用相同的無(wú)線電源接口為未使用的電池組充電，還允許制造商為流行的傳統(tǒng)產(chǎn)品的用戶提供無(wú)線充電的升級(jí)途徑。

光學(xué)功能當(dāng)人們想到電池時(shí)，燈通常作為負(fù)載出現(xiàn)。今天更常見(jiàn)的是，該燈是顯示充電狀態(tài)的內(nèi)部 LED。未來(lái)，該 LED 還可以傳輸光學(xué)數(shù)據(jù)，從故障排除信息到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)代碼，讓用戶可以對(duì)抗從手機(jī)背面發(fā)出的虛擬龍。

這些嵌入式 LED（或?qū)?lái)可能是 OLED 涂層）也可用于美學(xué)目的和實(shí)用目的，或兩者兼而有之。例如，可以使?fàn)顟B(tài) LED 隨音樂(lè)或其他數(shù)據(jù)（游戲）一起閃爍，以增強(qiáng)智能設(shè)備的體驗(yàn)。關(guān)鍵是一旦你打開(kāi)盒子來(lái)添加一盞燈，沒(méi)有什么會(huì)限制你只使用一個(gè)功能，特別是因?yàn)榇蠖鄶?shù)附加功能都可以在代碼中添加。

展望未來(lái)電子工程師在設(shè)計(jì)和指定他們的電池組時(shí)有越來(lái)越多的選擇，安全性和功能性的選擇比以往任何時(shí)候都多。了解所有這些（與您的供應(yīng)商合作?。O大地幫助您實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)。

審核編輯 黃昊宇