先进的电池包为下一代系统赋能

作者：Alix Paultre，特约编辑

在便携式、可穿戴、自主和远程电子产品的最新革命中，最受讨论和强调的方面之一是电池。问题是人们对它的关注过多和不够关注。他们为规模付出了太多，而对需求、能力和功能付出的却很少。

设计工程师了解为其应用选择最优化解决方案的重要性，尤其是在设备具有苛刻的电源要求时。选择合适的电池解决方案将直接影响设备的性能和最终用户的体验。了解电池化学成分和电池选择以及电池管理系统将指导正确的电池选择和/或设计。

尺寸：重要吗？在储能方面，电池的大小重要吗？实际上，尺寸并不像安全性或操作可靠性等重要。纯功率不一定是满足设计需求的灵丹妙药。通过添加更大或补充的电池可以轻松解决每个范围或运行时间问题，并且存在多个应用领域的活跃售后市场可以做到这一点。但这往往是不够的。

问题在于能够以消费者可接受且能够产生利润的价格点提供系统在合理时间内实现主要功能所需的能量。然而，在许多情况下，在设计定制电池时，尺寸是关键驱动因素。对于设备制造商而言，电池要求通常是事后考虑，也是确保设计工程师能够提供支持所需外形尺寸的机械要求的电池的重要组成部分。

我们最近与 VARTA 就开发产品和电池选择的工程师所面临的问题进行了交谈。VARTA Microbattery 的项目经理 Arkadiy Niyazov 解释说，对于许多工程师来说，与其说是电池容量，不如说是外形和功能。Arkadiy 指出：“定制电池组通常可以更好地为客户服务，因为它不仅可以为电力需求提供最佳解决方案，而且还可以满足安全性和功能性。”

例如，在瞬息万变的锂离子电池行业，传统的18650电芯尺寸并不是唯一的选择。21700 和 26650 等新选项现在变得更容易获得，为设计工程师提供了更多选择，以满足支持终端设备机械规格所需的形式、配合和功能，同时仍提供系统所需的能量。

谈到今天的能源管理，通常不是电池有多大，而是它驱动的系统有多高效。在两个几乎相同的物联网可穿戴医疗系统中的两个相同电池的假设情况下，具有更好天线匹配的电池将比设计不太优雅的系统具有更长的电池寿命。另一个例子可以在即将到来的基于宽带隙半导体的颠覆性电力电子浪潮中找到，它不仅具有更高的效率，而且具有更高的功率密度、更小的尺寸和更低的冷却要求。

购买还是建造？嵌入式设计工程中最基本的问题之一是采购子系统是现成的、定制的还是自己动手做的。对于像电池这样的模块化子系统，这可能是一个很难问自己的问题。标准电池尺寸不仅随时可用，而且是一个成熟的接口，拥有强大的客户和行业支持。

VARTA 现场应用工程师（电源组解决方案）Stefan Hald 提供了现场视角，他说：“我看到很多来自专业领域的要求，因为他们需要满足应用所需的冗余电气和热安全和保护。电池必须尽可能小，但还必须包括冗余和监控功能。我们还看到很多要求使用 LED 指示灯来指示运行状态、闪烁的故障代码等。”

具有相对较大外形尺寸的消费产品最难做出决定，因为有足够的空间来容纳标准电池，而无需担心包装或尺寸妥协。这也适用于已经适应传统电池采用的外形尺寸的产品。

回避这个问题的一种方法是两者兼而有之，创建一个定制的电池解决方案，该解决方案也可以与现成的电池一起使用。拥有这样做资产的公司通常这样做是为了最大限度地渗透市场，同时为客户提供升级路径和配件销售渠道来支持它。我想到了视频游戏控制器和相机，这两种产品都是高使用率（高耗电）产品，其客户群从入门级新手到热情的专业人士不等。这显然不是每个制造商都可以做到的，因此很难做出决定。

在“软”方面，出于营销和实际原因，多种电源选择对制造商和消费者都有好处。标准电池通常是默认选择，除非存在妨碍使用现成电池的外形因素。直到最近，外形问题还是制造商采用定制解决方案的主要原因。

通常，用户接受度和外形尺寸齐头并进。单个薄的可拆卸电池吸引了客户，同时还为制造商提供了外形尺寸和内部功能。例如，这款 1,590 mAh VARTA EasyPack SLIM 最大尺寸为 5.2 毫米，具有 CE 标志、UL 2054 认证和 IEC62133 第 2 版合规性。这种解决方案通常是两全其美的解决方案，因为它是来自多个供应商的多个产品可以共享的“标准定制”解决方案。

包装功能然而，优化电池解决方案的优势可能远远超过在您的产品中设计定制电源组所涉及的额外成本。正如 VARTA 的 Stefan 所指出的，目前最流行的附加功能涉及电池本身，例如电量监测和安全监控。然而，通过将设备放入电池组来为其添加功能的能力使设计人员能够以一种新颖的方式提供功能，从而为客户提供轻松的装箱、可扩展性和可升级性。

最大的问题之一是前面提到的售后附加电池。许多这些非品牌的非处方电池根本没有集成安全或安全技术；通常无法判断商店购买的电池是来自制造商的真实电池，还是只是用骗子拼凑的标签包裹的玩具卷。

有很多关于假冒劣质电池通过试剂从泄漏的酸到灾难性的热失控（一种奇特的说法，“它着火了”）破坏产品的故事。定制包装的第一个好处是您可以添加一个用于库存和假冒检测的 RFID 芯片、一个用于观察充电状态和热量的电池监控 IC，或者购买具有这两种功能等功能的芯片。

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.

在设计定制电池时，设计工程师需要根据最适合的技术来了解应用的电池技术，在某些情况下，这可能具有非常苛刻的功率要求。此外，了解电池技术趋势将直接影响特定设计的方向，包括电池的可用性和新电池尺寸（例如锂离子 26650 和 21700）。选择合适的 BMS 与它们可以使用简单的电子设备来测量电池电压同样重要或更复杂的 BMS 会影响电池寿命和性能以及确保安全。

另一个例子可以在机器人领域找到。图 1 显示了为人类机器人项目创建的 VARTA 电池组，该项目需要燃料计量和安全监控等高级功能。该设计包括精密铸造以承受 UL 的机械力认证，用于生产组装和电池定位的定制电池支架，以及用于电气控制、电池安全和性能的高度定制的 PCM。机器人不仅必须远程操作，还必须能够准确、快速地检测电池电量不足的情况，以便通过减少电力需求或返回基地充电来实时解决这些问题。

图 1：这个 VARTA 电池组是为人类机器人项目创建的。

无线功能上述无线功能可以通过多种方式实现。只需在标签中集成一个廉价的纸质 RFID 标签，就可以大大降低假冒风险，并为用户提供包装容量等产品信息，甚至可以为被供电的设备提供与一级电池功能（如电量等）的基本接口。充电和温度。

在诸如近场通信 (NFC) 支付等用户可以选择的领域，可以通过电池向设备添加区域功能，以解决本地或专有通信协议。许多地方现在都接受 NFC 支付，但一些制造商可能不希望在其整个产品线中部署该功能。这也适用于可能因地点和设施而异的公司内部资源的内部安全设备。

另一个主要的无线功能是无线充电。无线充电一度被考虑用于更远距离的应用，它正迅速成为消除电池的最后一英寸解决方案。为产品的电池组添加独立的无线充电功能可带来多种好处。这不仅使用户能够购买多个电池组并使用相同的无线电源接口为未使用的电池组充电，还允许制造商为流行的传统产品的用户提供无线充电的升级途径。

光学功能当人们想到电池时，灯通常作为负载出现。今天更常见的是，该灯是显示充电状态的内部 LED。未来，该 LED 还可以传输光学数据，从故障排除信息到增强现实代码，让用户可以对抗从手机背面发出的虚拟龙。

这些嵌入式 LED（或将来可能是 OLED 涂层）也可用于美学目的和实用目的，或两者兼而有之。例如，可以使状态 LED 随音乐或其他数据（游戏）一起闪烁，以增强智能设备的体验。关键是一旦你打开盒子来添加一盏灯，没有什么会限制你只使用一个功能，特别是因为大多数附加功能都可以在代码中添加。

展望未来电子工程师在设计和指定他们的电池组时有越来越多的选择，安全性和功能性的选择比以往任何时候都多。了解所有这些（与您的供应商合作！）将极大地帮助您实现产品设计目标。

审核编辑 黄昊宇