長(zhǎng)壽命(Long-life)電池的正確選擇,即使在非常低的放電狀態(tài),其重要性都遠(yuǎn)過對(duì)基本電流-和-時(shí)間(Current-and-time)電池容量的分析。
對(duì)長(zhǎng)壽嵌入式應(yīng)用的興趣增長(zhǎng)的狀況就如同遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)紀(jì)錄或電表帶來的無(wú)窮工程問題:我們?nèi)绾悟?qū)動(dòng)或?yàn)檫@些設(shè)備充電?這些通常在惡劣環(huán)境下工作的設(shè)備,在一個(gè)小電池供電且不常受到關(guān)注的狀態(tài)下,需工作10、20甚至更多年。
對(duì)于只要求能持續(xù)工作幾年、生命周期較短的設(shè)備,其電池決策分析從耗用電流的基本分析開始,如電池各種占空比,以及營(yíng)運(yùn)模式與電池容量(mA/hour)的 比較,如此可以得到相當(dāng)復(fù)雜,雜的應(yīng)用與操作周期,但這并不會(huì)太難,至少可以在最壞的情況下設(shè)定一個(gè)上限。然而,當(dāng)設(shè)備需要運(yùn)作10年或更長(zhǎng)時(shí),負(fù)載電流 的基本電子分析和電力的容量都只是個(gè)小小的影響因素,諸如自放電、化學(xué)變質(zhì)和外殼腐蝕都將成為主要問題。
當(dāng)我讀到刊登在航天與國(guó)防技術(shù)(Aerospace & Defense Technology)的“設(shè)計(jì)和制造一個(gè)幾十年的電池(Designing and Fabricating a Multiple-Decade Battery)”文章時(shí),造成為什么我會(huì)對(duì)電池壽命很好奇的原因。本文詳細(xì)介紹基于放射性衰變的熱電產(chǎn)生器(Thermoelectric generator,TEG),在理論上可以運(yùn)行150年,該架構(gòu)使用我以前從來沒有看過的一個(gè)兩步驟過程,一為衰變產(chǎn)生光;接下來則是利用太陽(yáng)能電池產(chǎn) 生電力。作者在文章暗示這樣的方式效率較低,可惜文中并未列出確切轉(zhuǎn)換效率數(shù)字,但我懷疑是在小于5%的范圍內(nèi)。
這個(gè)看似簡(jiǎn)單的符號(hào)背后所指的是電化學(xué),甚至放射性作用的復(fù)雜世界。
熱電產(chǎn)生器透過放射性衰變充電的方式已成功使用10多年,特別是太陽(yáng)輻射最小的宇宙飛船。這些熱電產(chǎn)生器是使用一個(gè)基于單級(jí)轉(zhuǎn)換處理放射性衰變的熱能,而不是 二分法(Two-step Process)的光子,與塞貝克連接點(diǎn)(Seebeck-junction)熱電偶從衰減熱量產(chǎn)生的電力。
這樣的方式為1977年發(fā)表的Voyager 1號(hào)與2號(hào)機(jī)提供電力,這兩輛宇宙飛船目前仍在太空旅行并持續(xù)傳送數(shù)據(jù)回地球,即使他們已越過太陽(yáng)系的模糊邊界進(jìn)入另一個(gè)外層空間(Exospace)。(編按:本文作者提到的宇宙飛船出處是由Stephen J. Pyne所寫的Voyager: seeking newer worlds in the third great age of discovery一書喔~)有一些利用熱電偶從引擎捕捉余熱工作也正在進(jìn)行,但這些研究該如何變?yōu)閷?shí)際(成本、可靠度、尺寸與效率)目前仍還不清楚。
當(dāng)然!理論上你可以根據(jù)所需使用的時(shí)間,透過使用更多的磁芯材料,制作一個(gè)以衰變?yōu)榛A(chǔ)的電池,但問題是,設(shè)備多長(zhǎng)時(shí)間需要休息,以及在電子惡化或分崩離析前,電子將如何持續(xù)運(yùn)作在應(yīng)用程序中,這都與放射性衰變機(jī)制的本身無(wú)關(guān)。但是如果電池不符合過去100多年來的需求,今天將不會(huì)有人環(huán)繞在當(dāng)下去指責(zé)這些 工作。
我也讀到其他關(guān)于長(zhǎng)續(xù)航力電池的兩篇文章,其中一篇高科技電池選擇合適的電池(Choosing the Right Batteries for High-Tech Batteries),是來自美國(guó)國(guó)家航空暨太空總署技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)(NASA Tech Briefs)著眼于各種化學(xué)物質(zhì)的屬性,尤其是許多有趣的鋰電池家族的變種,這篇文章用一句話來說就是:很復(fù)雜。當(dāng)你需要10幾年、甚至在很非常低的電流或低速率脈沖循環(huán)下使用電池,會(huì)需要分析許多因素,例如自放電和溫度額定值,此外,mA-Hr容量也成為眾多考慮的參數(shù)之一。
雖然上述文章的作者是出身自一間知名的電池廠商(Tadiran),且或許觀點(diǎn)有些偏差,我寧愿聽從真正在該領(lǐng)域已開發(fā)出產(chǎn)品的某些人士的研究紀(jì)錄,以及產(chǎn) 品微妙的制造及生產(chǎn)問題,而不僅僅是一個(gè)學(xué)術(shù)專家。(編按:作者的意思白話的說就是…他不太信任紙上談兵的專家的論點(diǎn)啦…)同一家電池供貨商也有一小篇 “為你的無(wú)線傳感器供電40年(Power Your Wireless Sensors for 40 Years)”的文章,這篇短文和前面提到的文章有部分重迭,不過也增加了一些新的信息。
你會(huì)涉及決定長(zhǎng)續(xù)航力電池的選擇嗎?你如何評(píng)估在復(fù)雜操作周期電池所需的基本電力容量?你又如何決定長(zhǎng)續(xù)航力電池的外型與化學(xué)材料會(huì)是可行的呢?