撰寫: 2022/6/4

發佈: 2023/3/31

Battery與充電模組

Raspberry Pi Zero W 使用5V 1A USB電源轉換器就足夠了，相對的若採用電池供電，使用單顆18650鋰電池就可以提供足夠的電流量了。當然為了待機時間長短，可以並聯多顆鋰電池；但是若要考慮放置在機器人內部，空間有限下就必須考慮鋰電池大小與數量。

我們在下一章節在以3D空間設計的概念來配置鋰電池與充電模組，在此先參考鋰電池資料來研究鋰電池及充電模組原理。

鋰離子電池

一般大眾提到的鋰電池，實際上正確應該稱為鋰離子電池 (Lithion-ion Battery)，一般人會想到手機內部的鋰電池，或行動電源、手持式電動工具、吸塵器、甚至大到電動機車或汽車內部的鋰電池；就算是不熟悉鋰電池的人，大概也聽過 18650 這個數字的鋰電池，它幾乎成為鋰離子電池的代表。因為上述的手持式設備甚至到特斯拉初版的電動汽車都採用18650鋰電池；事實上並沒有什麼特別的原因讓 18650這個尺寸成為最常用的鋰電池標準尺寸，但因為這個尺寸在能量密度、容量、體積、重量等各方面都取得相當好的平衡，於是在尺寸很容易訂製的鋰聚合物電池還沒出現之前，18650這個尺寸的鋰電池就普遍受到工程師的偏愛。

鋰電池18650 這個數字也是有意義的。這些編號代表的意義如下：

18為直徑，單位是mm
65為長度，單位是mm
0代表圓柱體

所以18650鋰電池這編號代表的是直徑18mm、高度65mm的圓筒狀鋰電池，而其他的常用電池還有如14500代表的是直徑14mm、高度50mm的圓筒狀鋰電池，這與一般常見的四號(AAA)電池外表規格相同如下圖；現在若要考慮放置在更小空間的機器人內部，14500鋰電池也是一個不錯的選擇。

鋰離子電池原理

鋰離子電池是一種二次電池，它的工作原理與傳統的電化學電池不一樣，一般電化學電池都是離子在正負極進行化學反應來交換電子，而鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，並利用鋰離子會「嵌入」石墨晶格的原理，來製造出陽極和陰極之間的電位差來儲存能量。

在此特別採用「嵌入」這個動作是代表鋰離子電池在此進行一個非常微妙的反應如下圖：鋰離子電池充電的過程中，在外界給予一個電壓，使得正極材料內部的鋰離子得以脫出進入電解液介質中，同樣電解液中的鋰離子會在外界電壓差的條件下向碳層移動，由於石墨是具有層狀通道的，鋰離子便會進入通道與碳形成碳鋰化合物，形成LiCx（x=1~6）這類石墨層間化合物，而後在石墨中進行固相傳輸。Li+主要是在石墨微晶的晶界上傳輸，石墨層間化合物是一種利用物理的方法使非炭質反應物插入石墨層間，與炭素的六角網路平面結合的同時又保持了石墨層狀結構的鋰枝晶晶體化合物，所以這種固相結晶「卡進」石墨晶格碳原子之間的一個現象就與一般電化學電池所不同；所以一般簡易的說法，會簡化說鋰離子只是「卡進」石墨晶格碳原子之間仍然以鋰離子的形態存在，鋰離子與碳原子之間並沒有化學反應，這就與傳統的電化學電池反應不同了。

所以鋰電池在結構上主要有五大塊：正極(陰極)、負極(陽極)、電解液、隔膜、外殼與電極引線。其中一般的鋰離子電池多以石墨為陽極材料，而陰極材料則有許多選擇，最常見的大概就是氧化鈷鋰（LiCoO2），以及近幾年相當紅的磷酸鋰鐵（LiFePO4）。至於鋰離子的電解質，由於鋰離子並不參與陽極、陰極的化學反應，電解液的功用僅是運送鋰離子在陽極、陰極之間來回移動；因此電解液多半是會解離出鋰離子的鋰鹽溶液。

雖然水可以解離出鋰離子作為鋰鹽溶液，但鋰電池的電壓遠高於水的電解電壓，因此不適合使用溶於水的鋰鹽做為電解質，否則做為溶劑的水本身會有被電解的危險。所以鋰電池的電解質通常使用有機溶劑為基底，像是碳酸二甲酯之類的有機化合物，這些有機化合物有個很重要的特性：揮發性易燃燒，燒起來後也相當危險。為了避免燃燒的危險，就要有保護裝置避免過度充電造成灌進來的能量變成熱來避免燃燒的危險。

一般鋰離子電池荷電狀態可定義為電池中可用電能的狀態，通常以百分比來表示。因為可用電能會因充放電電流，溫度及老化現象而有不同，所以荷電狀態的定義也區分為兩種：絕對荷電狀態 (Absolute State-Of-Charge；ASOC) 及相對荷電狀態 (Relative State-Of-Charge；RSOC)。通常相對荷電狀態的範圍是 0% - 100%，而電池完全充電時是 100%，完全放電時是 0%。絕對荷電狀態則是一個當電池製造完成時，根據所設計的固定容量值所計算出來的的參考值。一個全新完全充電電池的絕對荷電狀態是100%；而老化的電池即便完全充電，在不同充放電情況中也無法到 100%。

下圖顯示典型的 3200mAh 18650 鋰離子電池不同放電率下電壓與電池容量的關係。放電率愈高，電池容量愈低。可以看到當電池是滿電的時候，端電壓在 4.2 V，隨著電池的電量越來越低，它的端電壓會穩定下降；在不同電量時，電池的電壓都會不一樣，因此所謂 3.7 V 的標準端電壓只是一個很模糊的規格；而不同的放電電流也會造成不同的電壓曲線，這是由於電池的內組所造成的壓降。

另外溫度不同，電池容量也不同；由下圖可以看見溫度低時，電池容量也會降低。

鋰離子電池除了電池容量外，另外還有循環壽命(循環次數)之特性，所謂循環次數是當一個電池所h經歷完整充放電的次數，是可由實際放電容量與設計容量來估計。每當累積的放電容量等於設計容量時，則循環次數一次。通常在500次充放電循環後，完全充電的電池容量約會下降10% ~ 20%。

另外鋰離子電池就算不使用，也一樣有所有電池自放電 (Self-Discharge)的特性。自放電基本上不是製造上的瑕疵，而是電池本身特性。所有電池自放電都會隨著溫度上升而增加，通常電池溫度每增加10°C，自放電率即倍增。鋰離子電池每個月自放電量約為1~2%，而各類鎳系電池則為每月10 ~ 15%自放電量。

鋰電池充電策略

看完鋰離子電池的工作原理及特性，就可知道鋰離子電池充電模組如何根據特性處理充電過程。對鋰離子電池的充電是需要特別小心的，因為錯誤的充電方法除了前面所提到的爆炸或燃燒危險安全問題外，也可能縮短電池壽命、對電池造成傷害。

下圖顯示的是最典型的鋰離子電池充電策略：

鋰電池充電主要分為兩階段: 第一階段為恆電流充電，也就是上圖相對荷電狀態20% - 80%的範圍，這階段都是恆電流充電（CC, Constant Current），隨著電流的灌入，電池的電量 / 電壓隨之上升，標示為額定充電電流的階段；第二階段為恆電壓充電，也就是上圖相對荷電狀態> 80%的範圍，進入恆電壓充電(CV, Constant Voltage)，此時電流開始下降，而電壓維持在4.2V左右，最後等到充電電流 < 0.1C 時( C通常為電池標的XX mAh 的 XX，如典型的 3200mAh 18650 鋰離子電池) ，充電停止，標示為額定充電電壓的階段。

另外鋰電池充電還有前期預充階段，也就是上圖相對荷電狀態<20%的階段，一般設定為鋰電池電壓低於3V就屬於此預充階段；這時表示鋰電池過度放電，過度放電的鋰離子電池在充電初期需要一個預充過程，不能用額定大充電電流充電，此時充電電流必須很小，充電電流為設定電流的1/10，一般選0.05C左右；所以鋰電池充電開始時，應先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低於某個閾值一般為3V，就是過度放電的前期預充階段，這時候的充電電流必須很小，直到充電荷電狀態>=20%到達第一階段恆電流充電後，才可以使電池進入可以接受大電流充電的狀態。

再回來看第一階段恆電流充電，充電過程充電器件按照預先定義好的恒定電流為電池提供電流，較低內阻的電池可以使用較高的充電速率。大電流的鋰聚合物電池具有特別的構造，它們可以接受比較高的充電速率（如2C~4C），也就是以較大的電流充電，一般稱為快充；這時提供電流越大，充電就越快，但同時要注意的是電池發熱也會越大，我們就要注意過熱燃燒的危險。另外還有要注意不只發熱的問題，還有快充電容量會不夠滿的副作用，也就是採用過大的電流充電，因為電池內部的電化學反應仍然需要時間，快充會在電化學反應時間還未到就進入下一階段而使電池充電容量會不夠滿。

第二階段為恆電壓充電，此時對充電器的恒壓模式輸出電壓需要進行精確的控制以避免對電池的過充和可能導致的危險，這個值通常介於4.15V~4.4V之間，一般為4.2V。對於大多數鋰離子電池來說，所謂的充滿是指電池的電壓達到了它的額定電壓，而且充電的電流也降到額定充電電流的5%以下了。高於額定電壓就是過度充電，鋰離子電池和大部分的可充電電池一樣，如果你對滿電的電池繼續充電，接著再灌進來的能量就會變成熱。如前面所述，鋰離子電池的電解液很好燒。這些以有機溶劑為基礎的電解液在 90 ℃ 到 130 ℃ 左右就會沸騰、氣化，產生的氣體會讓鋰電池內部的壓力急遽增加；為了避免這個壓力撐爆鋰電池的殼體爆炸，大部分的鋰電池都會設計洩壓閥，在一定的溫度、壓力條件下會讓洩壓閥開啟，把這些氣化的高壓電解質氣體排出來。

但這些電解質就算排出來，還是很危險；這些有機溶劑就類似汽油或打火機油這類的溶劑氣化後再混合了空氣，是相當容易燃燒且危險的，所以才時有耳聞行動電源(或充電寶)會有起火燃燒的事件。所以鋰電池絕對不能過度充電。當電壓到達額定電壓時，這個電池就差不多算充飽了，因此端電壓是個可以用來結束充電週期的重要指標。

鋰電池充電模組選擇

從上述內容可以看出，鋰離子電池充電器件或模組需要具有精確的電池電壓檢測能力和對輸出電壓、輸出電流分別進行控制以實現恒流輸出、恒壓輸出的能力，雖然有點複雜，但因為現在所有行動式的電子產品都大量使用鋰電池，所以鋰離子電池充電裝置與模組在仿間就有相當多的樣式可選，我在以下小節列出幾項以考慮用於空間有限下的機器人內部使用的選擇；但是再次強調處理電源一點都不能馬虎，除了鋰電池絕對不能過度充電，會造成行動電源起火燃燒的危險，另外在此互相連接的模組皆為裸露的電路板，稍一不慎就會有電源短路的危險，個人就有一個慘痛的經驗，自行設計鋰電池充電模組板因為接腳精度不夠，就造成電源短路燒掉一片Raspberry Pi Zero W，如果各位有興趣自行設計鋰電池充電模組板，可以參考我另外一篇有關自行設計鋰電池充電模組板的文章。

Raspberry Pi Zero電源供應板

最方便的方法，就是採用專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板；仿間現有相當多專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板，可以想見專為Raspberry Pi Zero設計所帶來的優點如下：

大小適合：電路板大小正好配合Raspberry Pi Zero，一般鋰電池採用扁形聚合物電池可省高度空間。
電源直接連接：設計有相對應直接連接Raspberry Pi Zero 5V及GND接點的頂針，不須焊接。
固定方便：因有直接對齊Raspberry Pi Zero的螺絲孔位，可與Raspberry Pi Zero電路板連鎖，再固定在布玩偶內就非常方便。
狀態資訊支援：可獲得電池狀態資訊。

雖然看似完美，但還是有以下的缺點：

價格高昂：這類專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板，都比Raspberry Pi Zero或ZeroW貴上幾倍，想想看一片Raspberry Pi Zero官網定價美金$5，Raspberry Pi Zero W美金$10，Raspberry Pi Zero 2 W也不過美金$15，換算台幣不過最貴450元(事實上在網路上買不到這個價位，因為官方通路買不到)，而這類專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板價位多為美金$28~38，也就是比最貴的Pi Zero 2 W價錢翻倍。
電池替換不易：鋰電池用久了電池效能就會降低，甚至老化、膨脹、無法再充電，所以還是需要換鋰電池；在此這類專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板多採用扁形聚合物鋰電池，雖然有些電池接電路板有快速接頭可以替換，但大部分需要重新焊接；另外採購選擇扁形聚合物鋰電池，還是無法像18650或14500這類容易取得及替換。

在此列選以下幾款專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板給各位參考：

PiSugar Portable Power Platform for Raspberry Pi Zero:

頂針採用超短式設計，大大縮小此電路板與Raspberry Pi Zero相接的距離，含手動電源開關，並含有安全關機與定時喚醒功能。

Waveshare Power Supply UPS HAT for Raspberry Pi Zero:

含手動電源開關，另外電池接電路板有XH2.54快速接頭可方便替換。

PiJuice Zero: Portable Power Platform for Raspberry Pi Zero

40 pins公排針接PiJuice Zero，為了縮小此電路板與Raspberry Pi Zero相接的距離，母頭的排插高度較矮焊在另外一側；電池接電路板有三線快速接頭；另外本款也含有定時開關。

DFRobot: UPS HAT for Raspberry Pi

40 pins公排針接DFRobot；電池接電路板有XH2.54快速接頭。

Waveshare Li-ion Battery HAT: Portable Power Platform for Raspberry Pi Zero

容易取得及方便替換的14500鋰電池，但也同時犧牲了高度空間。

行動電源或電池座開發板

若純粹只為了提供5V的行動電源，就可以不須採用專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板，而可採用行動電源或電池座開發板當然還需考慮空間有限下就不適合採用過大的行動電源。使用這一類的產品有以下的優點：

大小尚可：一般大小尺寸為LxWxH: 95x22x21 mm，對於中型布玩偶來看，尺寸尚算適中。
可施工進行支撐固定：布玩偶內只有充填各式棉花或人造棉，並沒有支撐安裝電路板的骨架，若採用行動電源或電池座開發板則可鑽孔或選擇開發板部分螺絲孔未來固定電路板。
價格便宜：行動電源或電池座開發板因為通行一般通用市場，需求量大，所以比專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板價格便宜。

因為非專用設計，所以有以下的缺點：

需要外部USB電源線: 因為無法直接連接Raspberry Pi Zero電源pin腳位，所以需要額外一條外部USB電源線，除了多了線材成本外，外部這條從行動電源USB接頭連接到Raspberry Pi Zero電源micro USB接頭，多出的接頭、線長所佔的空間都會使設計增加困難。
空間占用：除了前面所提的外接電源線的空間占用外，本身行動電源或電池座開發板不是專為Raspberry Pi Zero設計，所以多採用18650的鋰電池，所以佔用空間較大。
固定孔位不足，承重不足：雖說可施工進行支撐固定，但多數無法做到將Raspberry Pi Zero四顆螺絲都可固定，而造成承重不足現象。

在此列選以下幾款電源給各位參考：

免焊接單節18650電池盒行動電源

仿間行動電源很多，在此考慮大小與是否容易加工兩項主因，可選用仿間現有的免焊接單節18650電池盒如下圖：

除了上述優缺點外，實際使用因為電源重工發現會造成電源不穩的問題，單獨透過type A USB接電路可以確認提供5V輸出，但是嘗試藉由type A USB接口內接電路板焊接點USB+及USB-引出電源就發現電壓輸出下滑的現象只剩下3.7V，就算事後嘗試解焊USB接口內接電路板焊接點仍然發現此USB輸出已出現不可逆的電壓輸出下滑只剩下3.7V的現象。

Raspberry Pi 3充放電保護18650電池座開發板

採用仿間現有的相容樹莓派 Raspberry Pi 3充放電保護18650電池座開發板如下圖：

除了上述優缺點外，此電池座開發板還多提供3組5V及3組3V的多輸出焊接電源端點可以牽線提供外部需要電源的模組。

自行設計鋰電池充電模組板

若純粹只為了提供5V的行動電源，也可以採用仿間鋰電池充電模組自行設計專屬的Raspberry Pi Zero電源供應板。自行設計的電源供應板有以下的優點：

價格相當便宜：鋰電池充電模組為行動電源的模組材料，所以比行動電源的模組或電池座開發板更便宜。
自行設計學習：自行設計決定佈線及螺絲孔位，可以學習設計布局的概念。

因為非專用設計，所以有以下的缺點：

需要外部USB電源線: 因為無法直接連接Raspberry Pi Zero電源pin腳位，所以需要額外一條外部USB電源線，除了多了線材成本外，外部這條從行動電源USB接頭連接到Raspberry Pi Zero電源micro USB接頭，多出的接頭、線長所佔的空間都會使設計增加困難。
固定孔位不足，承重不足：雖說可施工進行支撐固定，但多數無法做到將Raspberry Pi Zero四顆螺絲都可固定，而造成承重不足現象。
不提供狀態資訊：電源供應板只提供充放電，所以無法獲得電池狀態資訊。
電源短路風險：個人就有一個慘痛的經驗，自行設計鋰電池充電模組板因為接腳精度不夠，就造成電源短路燒掉一片Raspberry Pi Zero W。