作者 SOL JACOBS? ，Tadiran Batteries 副總裁兼總經(jīng)理

涉及不必要的大而重的電池的折衷設(shè)計解決方案通常會導(dǎo)致頻繁更換電池，以及將重型電池運輸?shù)狡h(yuǎn)、難以到達(dá)的位置相關(guān)的經(jīng)常無法預(yù)料的費用。在小型化時代，這些缺點正變得越來越大。?

指定壽命/尺寸/成本等式

為了為電池供電的遠(yuǎn)程無線設(shè)備指定理想的電源，需要考慮各種性能參數(shù)，包括：

低溫和高溫 —?極端溫度會降低脈沖下的電池電壓。如果電池的溫度范圍有限并且部署在惡劣的環(huán)境中，那么可能需要一個超大尺寸的電池來補償脈沖負(fù)載下的預(yù)期電壓降。另一種解決方案可能是選擇線軸型鋰亞硫酰氯 (LiSOCl 2 ) 電池，該電池具有非常高的能量密度，并且經(jīng)過改進以在極端溫度下提供高脈沖，從而消除了對所有額外容量或電壓的需求。

工作電壓 —?簡單的數(shù)學(xué)計算表明，提供與 3.6V 電池相同的電壓需要兩倍多的 1.5V 電池。更少的單元意味著更小的尺寸、重量和成本。

功率與能量——?這個設(shè)計挑戰(zhàn)因應(yīng)用而異。例如，某些無線設(shè)備很少通電，需要高脈沖來實現(xiàn)短脈沖，而不會消耗太多能量（容量）。一些典型的高脈沖/低能量應(yīng)用包括運行幾分鐘的手術(shù)動力工具和保持空中飛行數(shù)秒的制導(dǎo)彈藥。例如，手術(shù)電鉆可以使用四節(jié) AA 尺寸的鋰金屬氧化物電池來代替 12 節(jié)堿性電池。在導(dǎo)彈應(yīng)用中，一小包鋰金屬氧化物電池的性能可以勝過由銀鋅電池組成的更大、更昂貴的定制電池組。

大多數(shù)電池技術(shù)從未設(shè)計為產(chǎn)生高功率/能量比，因此需要大量電池來補償其低脈沖設(shè)計，從而導(dǎo)致電池容量過大。

自放電——?某些電池技術(shù)容易產(chǎn)生高自放電率，每月?lián)p失高達(dá)總?cè)萘康?8%，因此需要超大電池來補償預(yù)期的能量損失。更換年自放電率低得多的電池將允許電源更小，并且還可以消除在設(shè)備使用壽命內(nèi)多次更換電池的需要。某些線軸型 LiSOCl 2 電池具有每年 0.7% 的極低自放電率，因此可以在 40 年后保持其原始容量的 70% 以上。相比之下，每年自放電率為 3% 的電池（乍一看似乎只是逐漸升高），僅 10 年就會耗盡其原始容量的 30%。

循環(huán)壽命?— 大多數(shù)消費級可充電鋰離子 (Li-ion) 電池的循環(huán)壽命有限，約為 5 年，可完全充電 500 次。如果設(shè)備需要在不更換電池的情況下運行超過 500 次充電循環(huán)，則需要額外的電池以減少每個電池的平均放電深度。?

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，最近開發(fā)了一種工業(yè)級可充電鋰離子電池，可將電池循環(huán)壽命延長至 20 年和 5,000 次充電循環(huán)。這種工業(yè)級可充電鋰離子電池還能夠提供高脈沖，并具有 -40°C 至 +85°C 的擴展溫度范圍。?

高脈沖要求——遠(yuǎn)程無線設(shè)備越來越需要高脈沖來為先進的雙向通信和遠(yuǎn)程關(guān)閉功能供電。堿性電池因其高倍率設(shè)計而非常適合提供高脈沖。然而，這些消費級電池也有嚴(yán)重的局限性，包括低電壓 (1.5 V)、有限的溫度范圍 (0°C 至 +60°C)、高自放電率，可將預(yù)期壽命縮短至一到兩年，以及可能泄漏的卷邊密封。堿性電池可能還需要每隔幾個月更換一次，這會增加總擁有成本，尤其是對于部署在偏遠(yuǎn)、難以接近的位置的無線設(shè)備。

標(biāo)準(zhǔn)線軸型 LiSOCl 2 電池并非設(shè)計用于處理高脈沖，因為它們在首次承受此類脈沖負(fù)載時可能會經(jīng)歷暫時的電壓下降：這種現(xiàn)象稱為瞬態(tài)最小電壓 (TMV)。然而，可以通過使用獲得專利的混合層電容器 (HLC) 以經(jīng)濟高效的方式對標(biāo)準(zhǔn)線軸型 LiSOCl 2 電池進行修改以提供高脈沖。?

電池和 HLC 并聯(lián)工作，電池在 3.6 至 3.9V 標(biāo)稱范圍內(nèi)提供長期低電流電源，而單單元 HLC 存儲并提供高脈沖。這種混合電池還具有獨特的壽命終止性能曲線，可以對設(shè)備進行編程以提供“低電量”狀態(tài)警報。

另一種最小化 TMV 的方法是使用超級電容器與鋰電池串聯(lián)。然而，超級電容器具有主要缺點，包括體積大、自放電率高（每年高達(dá) 60%）和溫度范圍有限。涉及使用多個超級電容器的解決方案還需要平衡電路，這會消耗額外的電流并增加成本。

較低的初始成本可能具有高度誤導(dǎo)性?——電池的總擁有成本并不總是準(zhǔn)確地反映在其初始成本中。如果該設(shè)備用于長期部署，那么與更頻繁更換電池相關(guān)的額外勞動力和運輸費用可能會加起來，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電池本身。

在難以訪問的應(yīng)用程序和極端環(huán)境中，涉及增加尺寸和重量的折衷解決方案也可能存在很大問題。例如，緊湊、輕便的電源非常適合在寒冷的北極條件下工作的科學(xué)家，他們可以執(zhí)行任務(wù)的重量和體積有限。更輕且體積更小的電池也有利于那些整天在電線桿上上下搬運設(shè)備的公用事業(yè)線路人員。此外，由于聯(lián)合國和國際航空運輸協(xié)會的運輸法規(guī)更加嚴(yán)格，運輸鋰電池的成本越來越高。

審核編輯 黃昊宇