為便攜設(shè)備選擇電源系統(tǒng)

作者：Nexergy公司 Chris Turner 、Lon Schneider

對便攜式設(shè)備的生產(chǎn)商來說，給手持設(shè)備選擇合適的電池組是很困難的。因為電池的選擇會對設(shè)備的功能、型號、成本造成很大的影響。設(shè)計者面對著很多選擇，從簡單的鉛酸電池組到復(fù)雜的集成了電子安全、監(jiān)視和充電控制電路的鋰離子電池。

NiMH電池

這種電池的容量是同體積NiCd電池的兩倍，而重量更輕、更環(huán)保，且不需要電子安全設(shè)備。NiMH電池正在很多應(yīng)用中替代鉛酸電池成為鋰離子電池和鉛酸電池的過渡品，而NiCd電池則專注于高速應(yīng)用。

一般來說，在不使用的時候，這些電池在一年中至少要重新充一次電。并且，NiMH電池還要承受電壓下降導(dǎo)致的記憶效應(yīng)。

鋰離子電池

相對于NiMH電池，鋰離子電池能提供1.5～2倍的電能容量，沒有記憶效應(yīng)，自放電率只是鎳基電池的1/3。然而，鋰離子電池需要保護(hù)電路來限制電壓和電流。

直到最近，鋰離子電池還不適合電動工具和其他需要高放電率的設(shè)備。但是，有幾個電池制造商已經(jīng)開始制造具有高放電率的鋰離子電池。如使用納米技術(shù)，美國的A123系統(tǒng)公司就開發(fā)了一種具有5倍電流增益、10倍壽命，并能在5分鐘之內(nèi)充滿90％電池電量的鋰離子電池。這種電池是一個非常穩(wěn)定的電化學(xué)系統(tǒng)，能承受過充電或過放電而不發(fā)生熱崩潰，可作為傳統(tǒng)鋰化學(xué)電池安全耐用的替代品。

鋰聚合物電池

鋰聚合物電池比同重量的鋰離子電池有更高的能量密度，在任何占板面積下，鋰聚合物電池都能在過壓和高溫條件下給設(shè)計者提供很高的安全系數(shù)。

鋰離子電池電解液的沸點通常都很低，導(dǎo)致金屬外殼會在高溫條件下膨脹。比較起來，鋰聚合物電池的電解液就是一種凝膠體或沸點很高的固體，在高溫情況下就不易發(fā)生膨脹。

鋰離子電池對不當(dāng)使用的承受能力要小于其他化學(xué)電池。此外，鋰離子電池必須滿足一些規(guī)定，比如電池如果包含超過8g的鋰就必須當(dāng)作9級危險材料來運(yùn)輸。

NiCd電池

NiCd電池比NiMH電池要便宜，是便攜式應(yīng)用的高性價比選擇。其另一個吸引人的地方就是長生命周期和高放電率。

NiCd電池的化學(xué)性質(zhì)中有幾個缺點，最為重要的是Cd的毒性和比較低的能量密度。此外，如果NiCd電池重復(fù)地充放電，它的電壓和容量就會有明顯的變化。

密閉鉛酸電池（SLA）

密封鉛酸電池易于維護(hù)，自放電率低，價格也比可充電化學(xué)電池低。主要的缺點是能量密度低，因而變得非常笨重。

純鉛錫SLA非常適合小型摩托車、輪椅等戶外應(yīng)用和其他需要寬溫度范圍的場合，而鉛鈣電池通常應(yīng)用在待機(jī)電源系統(tǒng)或其他低成本電源中。

主要的電池

便宜和可隨意使用性使得堿性電池能被廣泛地應(yīng)用。它有適中的漏電率，五年或更長的外殼壽命。但另一方面，其能量密度遠(yuǎn)小于鋰電池，電解液也會在-20℃左右凍結(jié)。

鋰硫化物電池是傳統(tǒng)堿性電池的高端替代品，非常適合于用來平緩大脈沖電流，外殼壽命可達(dá)15年，能夠在-40～+60℃的溫度范圍內(nèi)工作。鋰二氧化錳電池具有較高的能量密度、可靠性和較長的外殼壽命。相對與鋰二氧化硫電池，它具有不易揮發(fā)和成本低等特點，可在性能和安全性之間提供一種良好的平衡。鋰二氧化硫電池在低溫度下具有高速率和良好的性能。這些特點使其成為軍用設(shè)備的通用之選，比如便攜式電臺、夜視儀器和緊急定位浮標(biāo)。

鋰亞硫酰氯電池具有鋰離子電池中最高的能量密度，可使用15～20年，適用于具有低持續(xù)電流和需要緩和脈沖電流的應(yīng)用中。

圖 幾種主要電池和可充電電池的能量密度

安全性

一個劣質(zhì)的電池不能因為簡單地增加保護(hù)電路而變得安全，它很容易就會產(chǎn)生熱崩潰，摔在地板上或暴露在高溫下就會產(chǎn)生爆炸。但另一方面，如果沒有合適的裝置來及時地阻止過放電或充電、大的浪涌電流或電路短路，高能量密度電池也會處于不安全的狀況。

當(dāng)保護(hù)電路因多種原因變得不太可靠的時候，電池組將需要一個后備安全系統(tǒng)，或至少一個專門的熱保護(hù)電路或器件。這樣，如果溫度升高到危險級別，熱熔絲或電子控制裝置將會關(guān)斷電池。

最理想的電池組應(yīng)該具有容量、充電狀態(tài)相近的電池，并能夠通過電子元件在電池之間調(diào)節(jié)電量以達(dá)到平衡。

制造一個電池組需要很多設(shè)計和制造經(jīng)驗，以及對電池組元件組分的深入認(rèn)識。一些OEM自己具備生產(chǎn)的能力，而另一些則將其交給專門的公司來生產(chǎn)。不管怎樣，大家的目標(biāo)都是相同的，即生產(chǎn)最小、最輕、最具性價比的電池組，以安全和高效地滿足手持設(shè)備對電量傳遞的需要。