作者：Alix Paultre，特約編輯

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

設(shè)計工程師了解為其應(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。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。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。

尺寸：重要嗎？在儲能方面，電池的大小重要嗎？實際上，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)計需求的靈丹妙藥。通過添加更大或補充的電池可以輕松解決每個范圍或運行時間問題，并且存在多個應(yīng)用領(lǐng)域的活躍售后市場可以做到這一點。但這往往是不夠的。

問題在于能夠以消費者可接受且能夠產(chǎn)生利潤的價格點提供系統(tǒng)在合理時間內(nèi)實現(xiàn)主要功能所需的能量。然而，在許多情況下，在設(shè)計定制電池時，尺寸是關(guān)鍵驅(qū)動因素。對于設(shè)備制造商而言，電池要求通常是事后考慮，也是確保設(shè)計工程師能夠提供支持所需外形尺寸的機械要求的電池的重要組成部分。

我們最近與 VARTA 就開發(fā)產(chǎn)品和電池選擇的工程師所面臨的問題進行了交談。VARTA Microbattery 的項目經(jīng)理 Arkadiy Niyazov 解釋說，對于許多工程師來說，與其說是電池容量，不如說是外形和功能。Arkadiy 指出：“定制電池組通?？梢愿玫貫榭蛻舴?wù)，因為它不僅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 等新選項現(xiàn)在變得更容易獲得，為設(shè)計工程師提供了更多選擇，以滿足支持終端設(shè)備機械規(guī)格所需的形式、配合和功能，同時仍提供系統(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)動的系統(tǒng)有多高效。在兩個幾乎相同的物聯(lián)網(wǎng)可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)中的兩個相同電池的假設(shè)情況下，具有更好天線匹配的電池將比設(shè)計不太優(yōu)雅的系統(tǒng)具有更長的電池壽命。另一個例子可以在即將到來的基于寬帶隙半導(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。

購買還是建造？嵌入式設(shè)計工程中最基本的問題之一是采購子系統(tǒng)是現(xiàn)成的、定制的還是自己動手做的。對于像電池這樣的模塊化子系統(tǒng)，這可能是一個很難問自己的問題。標(biāo)準(zhǔn)電池尺寸不僅隨時可用，而且是一個成熟的接口，擁有強大的客戶和行業(yè)支持。

VARTA 現(xiàn)場應(yīng)用工程師（電源組解決方案）Stefan Hald 提供了現(xiàn)場視角，他說：“我看到很多來自專業(yè)領(lǐng)域的要求，因為他們需要滿足應(yīng)用所需的冗余電氣和熱安全和保護。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 指示燈來指示運行狀態(tài)、閃爍的故障代碼等。”

具有相對較大外形尺寸的消費產(chǎn)品最難做出決定，因為有足夠的空間來容納標(biāo)準(zhǔn)電池，而無需擔(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。

回避這個問題的一種方法是兩者兼而有之，創(chuàng)建一個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，同時為客戶提供升級路徑和配件銷售渠道來支持它。我想到了視頻游戲控制器和相機，這兩種產(chǎn)品都是高使用率（高耗電）產(chǎn)品，其客戶群從入門級新手到熱情的專業(yè)人士不等。這顯然不是每個制造商都可以做到的，因此很難做出決定。

在“軟”方面，出于營銷和實際原因，多種電源選擇對制造商和消費者都有好處。標(biāo)準(zhǔn)電池通常是默認選擇，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。單個薄的可拆卸電池吸引了客戶，同時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，因為它是來自多個供應(yīng)商的多個產(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)勢可能遠遠超過在您的產(chǎn)品中設(shè)計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)測和安全監(jiān)控。然而，通過將設(shè)備放入電池組來為其添加功能的能力使設(shè)計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、可擴展性和可升級性。

最大的問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有集成安全或安全技術(shù)；通常無法判斷商店購買的電池是來自制造商的真實電池，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)電池通過試劑從泄漏的酸到災(zāi)難性的熱失控（一種奇特的說法，“它著火了”）破壞產(chǎn)品的故事。定制包裝的第一個好處是您可以添加一個用于庫存和假冒檢測的 RFID 芯片、一個用于觀察充電狀態(tài)和熱量的電池監(jiān)控 IC，或者購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)計定制電池時，設(shè)計工程師需要根據(jù)最適合的技術(shù)來了解應(yīng)用的電池技術(shù)，在某些情況下，這可能具有非?？量痰墓β室?。此外，了解電池技術(shù)趨勢將直接影響特定設(shè)計的方向，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 與它們可以使用簡單的電子設(shè)備來測量電池電壓同樣重要或更復(fù)雜的 BMS 會影響電池壽命和性能以及確保安全。

另一個例子可以在機器人領(lǐng)域找到。圖 1 顯示了為人類機器人項目創(chuàng)建的 VARTA 電池組，該項目需要燃料計量和安全監(jiān)控等高級功能。該設(shè)計包括精密鑄造以承受 UL 的機械力認證，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。機器人不僅必須遠程操作，還必須能夠準(zhǔn)確、快速地檢測電池電量不足的情況，以便通過減少電力需求或返回基地充電來實時解決這些問題。

圖 1：這個 VARTA 電池組是為人類機器人項目創(chuàng)建的。

無線功能上述無線功能可以通過多種方式實現(xiàn)。只需在標(biāo)簽中集成一個廉價的紙質(zhì) RFID 標(biāo)簽，就可以大大降低假冒風(fēng)險，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)備提供與一級電池功能（如電量等）的基本接口。充電和溫度。

在諸如近場通信 (NFC) 支付等用戶可以選擇的領(lǐng)域，可以通過電池向設(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產(chǎn)品線中部署該功能。這也適用于可能因地點和設(shè)施而異的公司內(nèi)部資源的內(nèi)部安全設(shè)備。

另一個主要的無線功能是無線充電。無線充電一度被考慮用于更遠距離的應(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)品的電池組添加獨立的無線充電功能可帶來多種好處。這不僅使用戶能夠購買多個電池組并使用相同的無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)品的用戶提供無線充電的升級途徑。

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

這些嵌入式 LED（或?qū)砜赡苁?OLED 涂層）也可用于美學(xué)目的和實用目的，或兩者兼而有之。例如，可以使?fàn)顟B(tài) LED 隨音樂或其他數(shù)據(jù)（游戲）一起閃爍，以增強智能設(shè)備的體驗。關(guān)鍵是一旦你打開盒子來添加一盞燈，沒有什么會限制你只使用一個功能，特別是因為大多數(shù)附加功能都可以在代碼中添加。

展望未來電子工程師在設(shè)計和指定他們的電池組時有越來越多的選擇，安全性和功能性的選擇比以往任何時候都多。了解所有這些（與您的供應(yīng)商合作！）將極大地幫助您實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)。

審核編輯 黃昊宇