因为要做低功耗相关的开发,设备供电和系统功耗是关系到设备续航能力的点,在此,收集一些有关电池方面的基本知识,作为以后开发选型的参考。
市面上的电池多种多样,他们的出现,满足了不同领域的需要。现阶段,所有的电池都是化学电池,也就说电池的电能来自电池内部物质的化学能,电池充放电对应于电池内部的化学反应。
电池容量=能量密度*电池体积。后者一般是固定大小的,要提高容量,能量密度是关键。目前,最常用的电池类型为锂离子电池,手机、平板、笔记本、手表以及电动汽车所使用的。锂离子电池内部的化学能转化为电能,表现为电子的定向流动,克服内部电池做工。电池能量密度取决于电子的密度,
电池容量(简写为C),C=放电电流(恒流 以ma计算)*放电时间(小时 以 h)。例如,一节电池有250maH的电量,那么就是说,如果以2ma的平均电流向外供电,理论上可以维持125小时。
电池电压在充满电时的电压时最高的,电池平均放电电压和正负电极材料有关,负极通常是石磨,正极材料有如下三种:
钴酸锂|石磨 3.7V
磷酸铁锂|石磨 3.3V
尖晶石型锰酸锂|石磨 4V左右
普通电池
这是市面上最常见的电池类型,一般分为1、2、3、5、7号电池,其中,5号(又称AA电池)和7号(又称AAA电池)尤为常用。
5号碱性干电池容量为600mAH~700mAH,无论什么型号的碱性电池,容量虽有不同,但是输出电压均为1.5V。
锂离子电池
电池有四个重要部件,正极(阳极,获得电子),负极(阴极,失去电子),电解质,隔膜。正负极是发生化学反应的地方,电解质是运送仅运送锂离子的地方。
上图是锂离子电池充放电的过程。就放电而言,电流从正极流向负极,电流的方向规定为电子流动方向的反向,那么电子在外部电路流动的方向是负极到正极,在流动的过程中,对电路做工。那从负极流出的电子是从哪里来的呢?原因很简单,金属锂在负极失去电子,被氧化成为锂离子,通过内部电解液向正极转移。正极材料获得电子被还原,被内部过来的锂离子中和。
理想情况下,电解液是锂离子的载体,而不应该是电子的载体。因此,在没有外部电路的情况下,电子是无法从负极转移到正极的,也就是没有电流流动。
纽扣电池
纽扣电池(button cell battery),大多数纽扣电池都是一次性电池(不可充电)。按照内部的构造,分为碱性电池(LR)、锂锰电池(CR)、氧化银电池(SR),字母数字后面的是电池的尺寸,像AG3、AG10、CR2016、CR2032,SR44.常用语不便于使用外部电源的小型携带式装置中,例如计算机、手表、电子体温计,各种电脑内置的备份电池。以下取自wikipeida。
锂电池尺寸编号使用IEC编号规则,前两位为数字直径(单位:mm),后两位为厚度(单位:0.1mm)
以CR2032为例子,C代表锂二氧化锰电池成本,R代表圆形,直径为20mm,厚度约3.2mm,标称电压为3V,
对于低功耗无线网络中的设备来说,尽管平均电流消耗很低,但是瞬时电流可能很高。
当电池处于持续稳定的放电时,即使电池里面仍然有一些活性材料时,电池会到达它寿命的终点。当,放电速率不是持续的,而是断断续续的,或者是低电流周期时,电池里面活性材料的恢复赶上了材料的消耗速度,可以使得电池恢复它在高放电速率时的活性损失。
一个避免大电流充电周期的方式是,当节点激活时,使用一个大电容作为对收发机的电源,当设备休眠时,电池给这个电容进行充电。利用大电容作为充电的缓冲,延长电池寿命。
另一种方式是,电池本身有自放电率,即使电池没有使用,由于内部损耗,电池仍然会损失它的容量。
计算电池在设备上的使用时间,第一个就是要规定使用场景。在极低功耗场景的使用中,休眠状态的电流对电池寿命的影响要大于活动状态下的电流消耗。
对于射频传输而言,长数据包比短数据包的误码率的可能性大,将射频功率与传输数据报的长短进行等比例的配合,用来减少重传次数,降低功率。
以上资料来自:Newnes.ZigBee.Wireless.Networks.and.Transceivers.Sep.2008.eBook-DDU.pdf