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作者：HywelStar
Hi, 我是HywelStar, 今天主要分享关于充电电池相关基础知识，主要在嵌入式领域中使用所涉及，主要包括电池种类，电池充放电过程，认识电池参数，电池安全相关。
1. 充电电池的种类
在认识电池之前，对于电池种类有非常多种，各种电池，充电电池内部都是化学成分，通过化学反应进行释放电能，对于电池内部重要的就是材料，这里可以从它的化学成分分类，最为常见的两大类为铅酸电池和锂电池，当然还有镍氢电池，镍镉电池等等。
1.1 铅酸电池
铅酸电池是一种历史悠久的电池类型，广泛应用于各种储能和启动应用中。其工作原理是基于铅和二氧化铅在硫酸电解液中的化学反应。
优点：
成本低廉：铅酸电池的制造成本相对较低，原材料易得。 大电流放电：可以提供较大的启动电流，非常适合用于汽车启动电池。 安全性高：成熟的技术和稳定的化学性质使得铅酸电池具有较高的安全性。 可回收性好：铅酸电池的回收技术成熟，回收率高，有利于环保。
缺点：
能量密度低：与锂离子电池相比，铅酸电池的能量密度较低，单位重量和体积内储存的能量较少。 重量重：由于铅的密度高，铅酸电池通常较重。 寿命有限：铅酸电池的循环寿命相对较短，深度放电对其寿命影响较大。 充电效率低：充电过程中的能量损失较大，充电时间较长。
应用：
汽车启动电池：由于能够提供高电流，铅酸电池广泛用于汽车、摩托车等的启动电源。 备用电源：在不间断电源（UPS）系统中，用于提供应急电力。 储能系统：在一些低成本储能系统中仍有应用，如家庭储能、离网系统等。
1.2 锂离子电池
锂离子电池是一种性能优越的充电电池，广泛应用于便携式电子设备和电动汽车中。其工作原理是基于锂离子在正负极之间的嵌入和脱嵌反应。
优点
能量密度高：锂离子电池的能量密度较高，单位重量和体积内储存的能量较多。 重量轻：锂离子电池使用轻质材料，重量相对较轻。 长循环寿命：锂离子电池的循环寿命较长，可以进行多次充放电循环。 无记忆效应：锂离子电池没有记忆效应，可以随时充电放电，不影响其容量。 充电效率高：锂离子电池的充电效率较高，充电速度快。
缺点
成本较高：锂离子电池的制造成本较高，原材料价格较贵。 安全性问题：锂离子电池在过充、短路或受到外力损伤时，可能会发生热失控，引发起火或爆炸。 对充放电管理要求高：需要精密的电池管理系统（BMS）来监控电池状态，防止过充过放。
应用
消费电子：广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、相机等便携式电子设备。 电动汽车：作为电动汽车的主要动力源，提供高能量密度和长续航里程。 储能系统：用于家庭储能、电网调节等，随着成本的降低，其应用范围不断扩大。 无人机和模型飞机：由于重量轻、能量密度高，被广泛应用于无人机和模型飞机中。
对于锂离子电池来说，目前使用非常广泛，锂离子电池细分类型也有很多种，常见包含：聚合物锂离子电池，钴酸锂电池，三元锂电池，磷酸铁锂电池等等，这种都是在原材料上有些不同组成产生各种种类的锂电池。
1.3 镍氢电池（NiMH）
镍氢电池是一种充电电池，采用镍氧化物为正极，氢吸藏合金为负极。相比于镍镉电池，镍氢电池具有更高的能量密度和更环保的特点。
整体来说，镍氢电池是一种非常成熟的技术的，安全性非常好，但问题存在自放电率比较高，长期不使用导致电量流失。循环寿命不长，相对锂电池相差较大，并且充电时间较长，不能达到快速充电效果。
1.4 电池种类比较
关于铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池的对比表格：
| 特性 | 铅酸电池 | 锂离子电池 | 镍氢电池 |
|---|---|---|---|
| 能量密度 | 低 | 高 | 中等 |
| 重量 | 重 | 轻 | 介于铅酸电池和锂电池之间 |
| 循环寿命 | 较短，约300-500次 | 较长，约500-1000次 | 中等，约500-1000次 |
| 充电效率 | 低，充电时间长 | 高，充电时间短 | 较低，充电时间相对较长 |
| 自放电率 | 高，约5-10%/月 | 低，约1-2%/月 | 高，约20-30%/月 |
| 记忆效应 | 无 | 无 | 有，但较弱 |
| 成本 | 低 | 高 | 中等 |
| 安全性 | 高，化学性质稳定 | 需要严格管理，可能发生过热或起火 | 高，化学性质稳定 |
| 环保性 | 回收率高，但含有有害的铅 | 回收难度较大，但无有害金属 | 无有害金属，但自放电率高 |
| 应用场景 | 汽车启动电池、UPS、电动叉车等 | 智能手机、笔记本电脑、电动汽车、储能系统等 | 消费电子、混合动力汽车、电动工具等 |
| 充放电管理 | 简单，要求不高 | 复杂，需要电池管理系统（BMS） | 适中，对管理要求不高 |
| 使用温度范围 | -20°C到50°C | -20°C到60°C | -20°C到60°C |
2. 电池充放电过程
当初接触电池很多从干电池开始，后来接触到充电电池，当初感觉是一件神奇的事情，那么来聊聊电池为何可以充放电，这一个过程是如何实现的。
电池的充放电无论是哪种，目前都是采用电池内部的化学反应提供的电能，这里以常见的锂电池为例子，锂电池内部主要结构是由正极材料，负极材料，电解质层，隔膜；
电流的形成是电子的移动产生了电流，电子是从负极移动到正极产生电流。
电池的一极失去电子是负极，得到电子的一极是正极。
2.1 电池充电过程
从图中看到，在充电过程过程中，给电池加压后，锂电子向负极移动，正极通过外部导线不断失去电子，负极不断会得到电子，这样就完成了一个充电过程。
2.2 电池放电过程
放电过程正好是与充电相反，锂电子通过通过电解液，隔膜移动到正极，负极通过外部导线失去电子的过程。
3. 电池参数意义
对于各种不一样的电池，一般都会有一下参数，电池容量，电池电压，充放电倍率，工作温度等；
电池容量：电池容量作为电池重要参数之一，它可以表示电池的电量到底能存储多少，不同的材质，不同大小都会影响到电池容量。好比一个蓄水池能够存储多少能力，电池容量的通常以毫安时（mAh）或安时（Ah）为单位，表示电池在规定电压下能够持续供电的时间。
电视电压：电池的标称电压是指其在典型工作状态下的电压。例如，锂离子电池的标称电压通常为3.7V。电池电压决定了设备能否正常工作，不同的应用场景对电压的需求不同。
充放电倍率：充放电倍率（通常标记为C值）决定了电池能以多快的速度存储或者释放能量。例如，1C表示电池可在1小时内完全放电，2C则表示可以在半小时内放电。嵌入式设备需要根据其功耗来选择合适的放电倍率。关于充放电倍率包含，最佳充电倍率，工作放电倍率，最大放电倍率等参数。
工作温度：充电电池是通过化学反应进行的，对于工作的温度，存储温度都有很大的影响。
电池参数主要包含以上几种，有些在特定领域还有一些其他叫法，比如常常听到1S2S, 3S 等等，S到底是代表什么，通常一个S表示3.7V, 那么多少个S就是有几个3.7V 加起来。1S 3.7 V, 2S 7.4V 。
4. 电池安全相关
关于电池安全是一个目前非常重要的课题，当今比较火热的电动汽车，对于电池的安全非常严格，从充电，放电各个阶段都需要注意有一定的保护措施。
过充保护（Overcharge Protection）
电池过度充电会导致电解液分解，内部压力上升，甚至引发爆炸或火灾。因此，嵌入式系统必须具备电池过充保护功能。
过放保护（Over-discharge Protection）
过度放电可能会损坏电池内部结构，导致不可逆的容量损失。为了保证电池的使用寿命，嵌入式设备通常会在电池电压降至某一安全阈值时自动停止放电。
短路保护（Short-circuit Protection）
电池短路会引发瞬间的大电流，造成电池发热甚至爆炸。因此，电池管理系统中必须具备短路保护机制，以保障设备和用户的安全。
温度保护（Temperature Protection）
温度传感器可以监控电池的工作温度，如果温度超过安全范围，电池管理系统会自动断开电池，防止高温导致的热失控现象。
5. 总结
本章节主要对充电电池的一些基础知识进行一个简单了解，主要的充电电池主要分为：铅酸电池，锂电池，镍氢电池，目前比较广泛使用的是锂电池，具备容量大，重量轻，充电效率高等优点，但最大的问题是安全性的问题。并了解充放电过程，对电池参数进行了解。在目前对电池的的材料，再到电池的应用，安全管理都在不断进步，作为开发人员对电池的充放电管理都需要一定的了解。
另外一篇传送门：电池能用多久是如何知道
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