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对于原型制作和测试电路，线性稳压 电源 是最经济可行的自助解决方案。线性稳压电源的功率输出也可以借助可变电阻器进行调整。不想费心设计自己的电源的电子爱好者和初学者可以购买可调式台式电源，用于常规电路测试和原型制作。大多数嵌入式系统都是基于电池的，因此您迟早需要在您的设计（电路）中添加基于电池的电源。即使不是完全基于电池的电路也可能使用电池作为备用电源。因此，必须先了解这些电化学元件，因为它们将使您的电路在大多数情况下都能正常工作。 什么是电池 电池是以化学能的形式存储电能的电化学装置。当它们连接在电路中时，电流开始流过它们的端子，存储在其中的化学能作为电能释放回来。超级电容器与电池不同，因为它们以静电场的形式储存电能，而电池则以电化学方式储存能量。 电池是两个终端设备，总是有一个正极（阳极）和一个负极（阴极）。它们由三部分组成——阳极、阴极和电解质。当电池连接到电路时，由于与电解质发生化学反应，电子从阴极流向阳极。显然，传统电流的方向是从阳极到阴极。 电池类型
电池主要有四种类型： 原电池
原电池和电池是不可充电的一次性电池。这些电池中的电化学反应是不可逆的，因此一旦耗尽就无法再充电，如果长时间不使用甚至会放电。这些电池是一次性使用的，一旦耗尽就需要丢弃。此类电池最适合基于电池的应用，这些应用通常具有低功率要求并且打算完全由电池供电运行很长时间。原电池也用于许多军用级应用（无线电和通信），因为在此类应用中更换电池比给电池充电更方便。常用的原电池包括纽扣电池、AA 和 AAA 电池。 ![]()
RJD 系列锂离子纽扣电池具有物联网可穿戴应用所需的高功率密度。（图片：伊利诺斯电容器） 这些低成本、小尺寸的电池通常是干电池，具有良好的电荷保持能力，适合长期使用。它们既不适合也不适合需要高放电率的重负载应用，也不适合备用电源或负载均衡。 有许多类型的原电池可用。一些流行的原电池包括以下内容。 碱性电池：这些是最流行的原电池，由 1.5V 电池组成。它们比能量高，寿命长，环保，使用安全，防漏，成本低。这些是低电流应用的理想选择，并用于电视遥控器、挂钟和玩具等许多消费类设备。它们的主要缺点是重量，因为它们很重。 锌碳电池：这些是重型电池，是碱性电池的低成本替代品。但它们的比能量（能量密度）较低，放电倍率性能较差。这些通常用作碱性电池的成本削减替代品。 原锂电池：这些体积小、重量轻的电池旨在用于低电流应用。这些被用作碱性电池的替代品，其中尺寸和重量是成本的主要考虑因素。 汞电池：这些电池不像其他原电池化学物质那样是干电池。这些小尺寸电池具有更长的寿命和稳定的电压。它们通常用于尺寸限制应用程序。 二次电池
二次电池是可充电电池。它们的电化学反应可以通过充电来逆转。在充电过程中，充电电流通过与放电电流方向相反的端子。一旦充电，这些电池就会恢复到放电前的状态。 二次电池初始成本高；但是，由于它们可以多次重复使用，因此它们的生命周期成本较低。在许多应用中，使用低功率的二次电池比一次电池长时间使用更划算。这就是低功率二次电池通常用于移动设备和小工具的原因。这些电池还可用于重型应用和需要高放电率性能的应用。这就是二次电池用于负载均衡、电动汽车和备用电源等应用的原因。一些流行的二次电池包括： 锂离子电池：这些是最流行的二次电池。它们有多种化学成分，如钴酸锂、硫磺锂和磷酸铁锂。这些轻型电池具有最高的能量密度和出色的放电倍率性能，广泛用于智能手机、便携式小工具和基于电池的消费设备。最近，三位科学家——John B Goodenough、M Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino——因在开发锂离子电池方面的工作而获得 2019 年诺贝尔化学奖。 ![]()
适用于为可穿戴设备等小型应用供电的针型锂离子电池。（图片：松下工业电池） 铅酸电池：这些是最早的二次电池。这些是重型、大尺寸电池，用于重型应用，成本低于其他电池，因此可用于汽车等非便携式应用和备用电源。尽管比能量低且重量大，但这些电池具有高功率重量比。它们以密封铅酸 (SLA) 电池的形式提供。 镍镉电池：这些耐用的二次电池使用金属镉和氧化镍氢氧化物作为电极，并且以高放电率提供其全额定电压而闻名。它们具有低自放电和长寿命。镍镉电池的一个主要缺点是它们具有记忆功能——如果充电不当，它们的寿命会缩短。 镍金属氢化物：这些电池类似于 Ni-Cd 电池，不同之处在于它们使用吸氢合金而不是镉。它们具有更高的能量密度，不需要特定的充电程序。然而，与 Ni-Cd 电池相比，这些电池的寿命较短，可能需要在 1000 次循环之前处理掉。 备用电池
与原电池一样，备用电池也主要用于一次性使用，但具有与电极隔离的电解质或与电解质隔离的电极。大多数备用电池都有隔离的电解质。只有在使用电池时，电解质才会被激活。由于电解质和电极保持隔离，这些电池不会自放电（像原电池一样）并且使用寿命更长。一些流行的备用电池包括电解质激活电池、热激活电池（热电池）、水激活电池和气体激活电池。这些电池通常用于军用级应用。 燃料电池
在燃料电池中，活性材料从外部注入电池。电池仅在活性材料被供给之前保持运行。燃料电池通常用于太空应用，但也用于电动汽车、负载均衡和备用电源等应用。 ![]()
基本燃料电池的工作原理。（图片：FCHEA） 大多数基于电池的嵌入式设备使用原电池。许多嵌入式设备可能会使用二次电池，例如在工业应用中，使用二次电池可能非常划算。备用电池和燃料电池的应用有限，在广泛使用的电子产品中可能看不到。与电感器一样，电池也是特定于应用的。因此，为给定电路或应用选择电池类型并不是一项艰巨的任务。但是在为给定应用选择电池时，您确实需要考虑其他要求，例如端电压、安全性、合规性、尺寸和几何形状。 我们已经讨论了基于可重复使用性和化学性质的不同类型的电池。在下一篇文章中，我们将讨论电池的几何形状和尺寸。
在之前的教程中，我们讨论了不同类型的电池。除了可重复使用性和电池化学性质之外，电池的包装方式也是一个重要因素，因为它应该可以容纳在设备中而不影响安全规范。电池的几何形状和尺寸在其电路应用中也起着至关重要的作用。 电池自 1700 年代就开始使用，现在有各种形状和尺寸可供选择。最早的电池形状是罐子设计。1896年推出大型F型电池，1898年推出D型电池。C型电池是1900年最先推出的小型电池，随后是1907年推出的仍然流行的AA电池。目前电池主要有以下几种形状： 电池尺寸的标准化始于圆柱形电池的引入。1906 年，成立了一个非政府标准组织——国际电化学委员会 (IEC)，以制定电池标准。1917 年，美国国家标准技术研究院 (NIST) 引入了标准电池尺寸的字母命名法，该命名法沿用至今。 电池尺寸
电池有以下尺寸可供选择： ![]()
圆柱形电池
圆柱形电池是最流行的原电池和二次电池电池组，也是最容易制造的电池组之一。这些电池具有压力释放机制，使它们能够承受高内部压力而不变形。其他好处包括高机械稳定性、低成本、长寿命和出色的循环能力。这些电池不会改变它们的形状或大小，因此在电池之间有足够的间距的情况下可以轻松地进行热管理。这些坚固的电池的唯一缺点是它们的重量和由于空腔导致的低封装密度。 ![]()
圆柱形电池示例。 圆柱形电池非常可靠，通常带有 PTC 开关，当负载消耗过大电流时该开关会停止传导电流，从而提供短路保护。一旦冷却，开关就会返回导通状态。为了机械安全，这些电池使用膜密封或可重新密封的通风口。一些锂离子圆柱形电池使用充电中断装置，在暴露于不安全的机械压力时断开电池。 圆柱形电池通常用于镍镉和镍氢电池。它们有 AA、AAA、AAAA 等流行尺寸，也有 1/2 和 ¾ 等部分尺寸。18650 尺寸的可充电锂离子电池也有圆柱形电池。18650圆柱形锂离子电池已广泛用于笔记本电池和电动汽车，但随着新型电动汽车将依赖扁平电池设计，其需求正在减弱。尽管如此，21700、20700 和 22700 尺寸的锂离子圆柱形电池仍将满足各种消费电子应用的需求。 纽扣电池
纽扣电池或纽扣电池用作用于紧凑型便携式设备的小型原电池。这些低成本电池可用于主板、手表、便携式医疗设备和无绳电话。它们的主要优点是尺寸紧凑，可以轻松堆叠在管中以实现更高的电压。它们的主要缺点是缺乏安全通风口和充电时间长。这些电池主要用于紧凑型设备或作为电路某些部分的备用电源。纽扣电池还用于维持主板中的时钟。 ![]()
纽扣电池示例。 棱柱形电池
棱柱形电池采用扁平矩形设计，可最大程度地利用空间。这些电池没有标准尺寸格式，它们的尺寸因制造商而异。它们通常用于手机、智能手机、笔记本电脑和便携式电子产品，现在是电动汽车的首选。这些电池的主要缺点是热管理差、寿命短和成本高。它们容易因气体积聚而膨胀，并且可能会在很长一段时间内膨胀，从而带来安全隐患。由于膨胀和变形，它们还可能损坏它们所在的设备。 ![]()
棱柱形或矩形电池示例 软包电池
软包电池是最灵活、最轻便的电池。这些电池带有电极的密封箔片，具有柔软的袋状外壳，旨在容纳电池中的任何膨胀。通常，小型软包电池在几百次充放电循环后可能会膨胀，而大型软包电池可能会在几千次循环后膨胀。这种电池设计是最轻便的，可以最大限度地利用空间。尽管这些电池专为轻负载而设计，但它们可以承受高负载电流，并且可以并排堆叠以获得更高的电压。 ![]()
棱柱形或矩形电池示例 制造软包电池时，它们会配备一个临时气囊。第一次充电时产生的气体会逸出到气囊中，气囊随后会被移除。然后将小袋密封并准备供应。在随后的充电周期中，会产生最少量的气体，这些气体可能仅在数百或数千次循环后才会累积。 这些电池具有更高的能量密度；然而，这些制造起来非常昂贵。这些电池没有标准尺寸格式——它们有多种尺寸，尺寸可能因制造商而异。软包电池通常用于可穿戴电子产品（如蓝牙耳机、音乐播放器和玩具）和便携式设备。还有用于其他应用的大型软包电池，如 UPS、ESS 等。 未来趋势
目前，圆柱形电池和纽扣电池是最流行的电池组。然而，随着制造成本逐渐降低，趋势正在转向棱柱形和软包电池。未来的电动汽车可能会使用扁平设计的电池（棱柱形和软包）。便携式设备、小工具和消费设备中使用的电池也可能出现同样的趋势。软包电池可以像食品包装一样制造，而矩形电池可以通过改进的自动化系统更容易地制造。制造商仍在寻找提高扁平电池设计的安全性和热稳定性的方法，因为电池的未来依赖于空间利用、重量和最大化能量密度而不影响安全性。
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