电池开发工具使设计工程师能够优化他们对电池的选择以及他们的系统如何使用电池提供的能量

作者：Mouser Electronics Mark Patrick

 

对于许多重要的绿色技术，如电动汽车、太阳能和风能基础设施，我们依赖一个重要的组成部分：电池。但这是以地球为代价的，因为必须开采原材料。

正在开发替代存储方法，如更有效的固态电池和重力电池。但就目前而言，许多应用——尤其是电动汽车——都依赖于锂电池。

那么，我们如何才能减少使用电池对环境的影响呢？通过仔细的设计和部件选择，我们可以通过降低功耗和优化系统的电源设计，确保我们的系统最大限度地利用它们使用的电池。这使我们能够使用更小的电池尺寸，延长电池寿命，并为最终用户提供更好的性能，同时减少对环境的影响。

本文将探讨一些可用的选项，这些选项可以帮助工程师开发高度优化的设计，最大限度地提高电池的运行效率和寿命。

 

电池开发工具

选择电池似乎是一项相对简单的任务：工程师只需计算出设计所需的功率，并选择能够平衡尺寸、重量、成本和能量容量的最佳组件。

然而，工程师可以使用开发工具使这项任务更容易，并充分利用他们指定的电池。开发工具使工程师能够在不增加电池尺寸或不需要过度重新设计的情况下提高最终解决方案的性能。

它们还使工程师能够通过真实世界的组件功耗分析来降低总体功耗，从而延长电池的整体寿命并降低功耗。

其中一个工具是Nordic Semiconductor的Power Profiler Kit II（PPK2）（图1）。PPK2为硬件和软件工程师提供了一种简单的方法来测量嵌入式系统的平均功耗和动态功耗，从而提供了调试其解决方案功耗的能力。

 

图1:Nordic Semiconductor Power Profiler Kit II（PPK2）。（来源：Mouser Electronics）

 

PPK2具有高动态输入范围，能够在从200nA到1A的整个典型嵌入式应用范围内进行精确的电流消耗测量。它可以测量低睡眠电流、高活动电流和短电流峰值。

PPK2还提供八个数字输入，可以用作低端逻辑分析仪。这使得将功耗与正在执行的代码块联系起来变得简单。PPK2可以作为独立单元连接到任何北欧开发套件或自定义板，无需额外的套件或调试器。

电池开发工具的另一个例子是Qoitech Otii Arc Pro能源优化工具，该工具包括硬件和软件，使设计师能够充分利用电池。

Otii Arc Pro结合了功率分析器、直流能量分析器、电源、数字万用表、电源测量单元和功率调试器。它可以精确测量电压和电流，计算功率和能量，并与软件输出同步。这意味着工程师和开发人员可以很容易地看到被测设备中的能量消耗情况，从而优化电池寿命。

Otii Arc Pro还使设计师能够根据系统的需求选择电池。虽然电池数据表提供了典型容量的基本信息，但它们的实际行为更为复杂，其变化取决于负载如何获取功率和工作温度等因素。例如，高电流的峰值将比持续的、较低的电流消耗更快地降低币形电池的寿命；这意味着并联添加电容器可能是一种有用的策略。

Qoitech的测试表明，缺乏优化意味着平均有30%到50%的电池容量没有被使用。每年至少有150亿个电池被丢弃，减少这种浪费的容量将对环境产生重大影响。

 

节能技术

除了优化电池本身的选择外，工程师还需要设计尽可能少用电的系统。通过提高效率和减少功耗，它们可以减少对系统电池的要求，从而能够使用更小、更轻的电池，并降低总体成本。

有多种技术和材料可以帮助实现这一低功耗目标。其中最重要的是碳化硅（SiC），它可以用作半导体中硅的替代品。SiC器件能够提高电动汽车和太阳能发电的性能，提高电力效率，从相同的资源中输送更多的能量。SiC晶体管可以切换比硅MOSFET更高的电流，并且可以在更高的频率下操作。

近年来，SiC功率半导体越来越受欢迎，与其他技术相比，它们的优势超过了更高的成本。除了效率之外，它们还支持更高的功率密度，从而能够创建更小的电力系统。

例如，与基于硅IGBT的解决方案相比，Infineon Technologies CoolSiC™MOSFET使功率密度增加了2.5倍。其中一种器件，IMYH200R100M1H 2000V SiC沟槽MOSFET（图2），适用于串式逆变器、太阳能优化器和电动汽车充电等应用。它的设计目的是在不牺牲可靠性的情况下提供更高的功率密度，即使在苛刻的高压和开关频率条件下也是如此。

图2：Infineon CoolSiC MOSFET。（来源：Mouser Electronics）

 

对于电动汽车充电，SiC器件的高效率和紧凑尺寸非常适合车辆中的车载充电器和充电站中的非车载使用。通过实现更高的效率和更高电压的使用，SiC器件可以帮助减少布线的尺寸，从而减少所需的铜量。

 

结论

电池是许多技术产品的重要组成部分；但工程师们在指定和选择它们时需要小心，既要尽量减少对环境的影响，又要通过降低功耗和延长电池寿命来改进系统设计。

通过使用电池开发工具，设计工程师可以确保他们优化电池的选择以及系统如何使用其提供的能量。通过选择最好的组件，如SiC半导体，他们可以最大限度地降低设计的功耗，从而降低对电池的需求。

 

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