電池與機電專題供電
張貼日期：Dec 03, 2020 2:34:15 AM
介紹幾種用過的電池、電池盒、電線&接頭、充電器、電池保養，
還有在設計機電整合專題供電時要注意的事項
一些瑣碎的知識，記錄成一篇。
一、乾電池
1.如果作品有用到LED燈，用乾電池供電很方便，電池盒找兩節串聯的(3V)
ps. 市面有上有不可思議價格、一顆2元的電池，當然很快就沒電了，
上課作品用跟研習時就給這種，反正便宜加減用。
2.驅動小型130馬達(3V ~ 6V)、TT馬達(130馬達+齒輪箱)，
建議用鹼性電池輸出電流較大，比碳鋅電池有力。
3.鹼性電池用久電解液會漏(金頂、勁量、costco自有品牌都...)
如果是遙控器使用 ( 例：PS2手把、樂高8885紅外線遙控器)，盡量用碳鋅電池
二、一般常見的充電電池 — 鎳氫電池
1.跟乾電池用途一樣，通常是競賽訓練用，重複利用比較環保。
樂高EV3、mbot有附四節AA電池盒，通常也都是用鎳氫電池推。
2.鎳氫電池雖然規格跟三號電池一樣，但電壓只有1.2V左右，
使用起來不如一般電池有力，所以比賽上場的時候還是乖乖換回鹼性電池。
3.認明eneloop低自放充電電池，好照顧，不用擔心定期充電問題
充飽放個一年都沒問題。
三、大型專題的用電需求與安全性
1.隨著專題越做越大，乾電池很快就不能滿足需求了
四顆3號電池能負擔的，大概就是兩顆TT馬達、頂多再一個SG90舵機
除了電壓不夠以外，電池輸出功率也很小，沒有辦法提供太大的電流(頂多700ma)。
以高中生活科技競賽為例(10公斤以下機器車)
常用的550馬達(直徑37mm、搭配直徑66mm塑膠輪)
空載電流大約1A，但堵轉時電流最高可以到6A(隨廠牌不同有些許差異)
大一點的機器人(20公斤級)常用775馬達、997馬達堵轉電流甚至可以到10A
其負荷遠遠超過一般乾電池效能
2.電池輸出功率即電池的放電能力、輸出能力，
可以由目前電池的電壓跟輸出的電流來計算，
要計算整個電路到底能發揮多少功率，要先看電池是否足以負擔
舉例來說，若電池的最大輸出功率為1W
(1)若電路負載的功率為0.5W，在電池可以負擔的範圍內，
則整體的功率為0.5W。
(2)若電路負載的功率為6W，但電池只能提供1W
整體功率最多也只能到1W。
所謂的電池沒電了就是輸出的能力下降
能提供的電壓和電流都會同時下降
很容易就可以感覺到電路的效能變差了
3.工作電流、峰值電流：
工作電流是指電路在正常運作狀況下的電流，
峰值電流是指電路在超載時瞬間產生的最大電流，
峰值電流通常很難量測(有可能量到的時候電路也GG惹)，
只能從電子元件提供的資料去推測
在設計電路時要考慮能承受的峰值電流
但基於考量成本也不可能一昧提升規格
所以一般會考慮承載比工作電流高一點，
然後設計保護機制(無熔絲開關、保險絲...)
在達到峰值電流時就跳開，以保護電路
4.電線規格
電線能負載的安全電流跟其線徑有關，常用的標準為美國線規AWG，
數值越小線徑越粗，能承受的電流越高。然而影響線材的耐受電流有很多因素，
除了線徑外，外層的材質也有影響。市面上有些矽膠線便標榜耐熱、耐受電流較高，
每間公司的線材耐受電流也有些許不同。 除此之外，使用當下的條件：線材使用年限、
是否連續使用、電線束包含幾條電線，是否有散熱措施，對線材能承受的電流都有些許影響。
選擇線材最重要的原則是：要以電路可能產生的最大的電流為選擇標準，
舉例來說：775馬達的工作電流是2A，但啟動時、正反轉切換間、堵轉時的瞬間電流可能高達6A
那麼馬達的線材就應該選擇 awg18 (耐受6.4A) 以上，而電池要負擔一台四顆馬達跟其他零件用電，
可能要選擇awg12 (耐受26A) 以上。
請參考美台磁材公司的《線號/線徑/耐電流對照表》
註：
模型車通常使用耐熱矽膠線，馬達用16awg或18awg，電池用12awg。
越野用模型車在攀爬障礙物時，常因為造成輪胎卡住造成馬達堵轉，
而瞬間榨出40A以上的電流，這時便要考量是否使用更粗的線徑
或是賭賭看線材能承受這樣的超載多久...
※在供電的部分千萬不能像挑線材一樣抱著僥倖的心態，
若有大用電需求請使用高功率的電池，
否則請加裝保險絲
5.為了滿足大型專題的用電需求，我開始改用電瓶、18650、鋰聚合電池
這三種電池都能提供較大的電壓跟工作電流，主要的差異在於安全跟保養。
在跳入這個坑(??)之前，要先提醒安全的問題，
平常使用乾電池習慣了所以容易忽視
乾電池使用之所以安全，是因為輸出功率不高、
電壓也小，就算短路也不會有太大的電流
頂多燒掉電池盒跟電線
專題用電的安全性不容忽視
我們常誤會只要提供足夠的電壓就好了，但其實
電池的輸出功率、工作電流、電壓、線材都要有能匹配
尤其是機器人專題一定會使用到馬達，特別難處理
(1)運氣好一點的情況，是推不動馬達，
或者是馬達欠壓、慢慢轉動，
頂多就是專題失敗，至少沒有東西壞
(2)運氣不好的情況，
馬達正反轉的時候拉電壓，
把驅動晶片或是電路燒壞了
(3)運氣差的情況，
馬達堵轉瞬間榨出大電流
整組電路起火、甚至電池爆炸都有可能
※最基本的原則：
要注意用電量與線材規格是否匹配
如果線徑不足，撐不住工作電流的話
線材很快就會融化、甚至短路走火
所以使用時要特別注意線材溫度
只要電線摸起來有點熱就要小心。
6.保險絲
保險絲是特別設計用來保護電路的元件，避免瞬間過大的電流造成傷害。
當電流到達目標電流時，保險絲會燒斷使電路斷路，
使傷害僅止於保險絲而其他元件不受影響。
參考插片式保險絲：https://www.ruten.com.tw/item/show?21711543370239
舉例馬達電路為例：
使用L298n電機驅動模組(工作電流2A、瞬間3A)，
可以在馬達電線上串聯一組3A保險絲以保護電路。
保險絲成本低廉、易於更換，是個值得安裝的好東西。
但要記得除了保險絲的耐受電流符合我們要保護的目標外
電線本身也要能承受目標電流，如果電線不夠粗只能承受2A
那麼保險絲裝到3A也沒意義
保險絲燒斷時的處理：
所有的保護機制作動後都一樣
請先找出觸發保護機制的原因，再進行復歸。
舉馬達的保險絲為例：
有可能是車輛在攀爬障礙物時造成輪胎和馬達堵轉
進而燒毀保險絲，那麼只要更換一片新的保險絲就好；
如果是馬達電線鬆脫觸碰到鐵殼，導致短路而燒毀保險絲
這時就算換了保險絲，再啟動時也會馬上再燒斷。
7.馬達與電壓、電流
馬達是機電整合專題、機器人專題中對電路負擔最重的元件
馬達可以視為一種電感，因為有線圈可以感應電流的變化產生電壓
在啟動瞬間、正反轉切換瞬間還有轉軸卡住的堵轉瞬間
可以拉高電壓、進而產生很大的瞬間電流
尤其是堵轉瞬間的電流最高
在設計電路時一定要可以撐住啟動跟正反轉切換電流(不然就不用轉了...)
是否要撐住堵轉電流則驅動板、電池能力而定
舉例而言：
有一電路其包含四個馬達，
電池能供用的電流最大是20A，馬達驅動板工作電流6A、峰值電流16A
馬達工作電流為1A，啟動電流3A、正反轉瞬間電流可以到2A、堵轉電流最高可以到6A
這時我們在馬達端裝3A以上的保險絲，
但考量四顆馬達總電流可能會燒壞馬達驅動板，
建議選擇4A，使馬達可以稍微超載又至於燒壞電路。
電池端則建議加顆20A保險絲保護，以免短路或是其他意外燒毀。
四、電瓶— 鉛酸電池
1.電瓶大概是新手處理大用電專題的最好選擇，技術成熟且安全
一般燃油汽機車的電系都靠電瓶供電，常見的規格為12V，
工作電流大約20A，瞬間放電大概可以承受到40A都沒問題
2.以中學課程而言，電瓶買一般電器用或機車用的就夠了
一定要找密閉式、免保養電瓶，除了省去維護電瓶水的麻煩，
翻倒時也不用擔心酸液外漏。
3.電瓶接電不用透過電池盒而是接電極，可減少接觸不良跟短路風險，
依據電池的用途，端子主要有以下幾種：
(1)插銷式端子：常見於電器用，電極拆裝快速，我通常都買這種
電極的寬度有很多規格(4.8mm、6.3mm)，記得找匹配的端子
參考湯淺NP系列：http://www.yuasa.com.tw/product-detail.php?lang=&nId=29
ps.雖然端子可以用壓接的就好，但還是建議上點錫。
(2)方形樁頭(鎖螺絲)：常見於機車電池，可以接較粗的電線，但拆裝較麻煩，
參考湯淺YT系列：http://www.yuasa.com.tw/product-detail.php?lang=&nId=60
ps.大電流的專題可以鎖粗電線搭配安德森接頭 (耐高壓、高電流、防火花)
4.為了用電瓶供電給550馬達(6V ~12V) 跟MG995舵機(4.8V~7.2V)，想了幾個方案
(1)用12V電瓶供電，舵機的部分則用降壓板穩到7.2V供電
(2)用6V電瓶供電，舵機用6V推OK，但550馬達用6V推較沒力
(3)用兩顆18650供電(7.4V~8.4V)，550馬達部分OK，
舵機供電部分要用降壓板處理，
但後來發現不降壓，用8.4V硬催也還好
5.電瓶放著不動也會自放電， 摩托車不常騎，會發不動有可能就是電瓶沒電了
大概一兩個月就會沒電了，所以要記得常充電
6.市面上的電瓶充電器大部分都是針對車用的12V或24V電瓶設計。
電池行老闆說要充6V電瓶的話，可以把兩顆串在一起充(???)
但如果是智慧型充電器應該就沒辦法用這個方法
後來也懶得找專用充電器了，就用電源供應器接鱷魚夾直接充了，
以12V電瓶而言充電電壓為(13.8V~14.7V)，充6V電瓶就大概設定7V，
用電供直接充的方法比較危險，記得人要在旁邊顧著。
7.膠體電池
鉛酸電池的改良版，用膠狀材料取代液態電解液，較一般密閉式電瓶安全，
目前是FRC競賽都是使用膠體電池，電極為方形樁頭、並搭配安德森接頭
放電能力較好、壽命也較高，但缺點就是價錢.....
參考湯淺AGM系列：http://www.yuasa.com.tw/technology_02.php?lang=
8.鋰電池電瓶
就是做成電瓶形狀的鋰電池啦，已經不是鉛蓄電池了
鋰電池能量密度高，與同級電瓶相比，尺寸重量都小一號
還可以提供更高的電流，但價格也是電瓶裡最貴的
參考：http://www.yuasa.com.tw/proxy-product-detail.php?nId=54
五、18650 — 鋰鐵電池
1.18650是鋰電池的一種封裝，代表直徑18mm、長度65mm。
鋰電池可以提供3.7V的電壓，以及較高的電流。
(一般約2A，依電池等級不同，瞬間電流甚至可到100A以上)
在市場上還滿常見的，有些行動電源、手持風扇裡面裝的就是18650電池。
2.鋰電池的電壓一般標示為3.7V，但充飽電最高可以到4.2V，
使用時電壓會從4.2V很快降到3.7V，大部分時間會維持在3.7V，
降到3.6V以下就可以感覺到放電能力下降了，要開始充電。
降到2.5V以下就算過放了，雖然有機會救回來，但蓄電量會受損。
3.18650雖然看起來跟乾電池差不多，但有許多潛在的危險性，
鋰電池十分忌諱短路，短路瞬間火花就會竄出來。
不小心把電池盒紅黑線短路就可能就會起火，要特別注意。
4.選購電池盒的時候建議找有開關的，避免頻繁抽拔DC接頭造成電線損壞
若沒有做DC接頭而且是直接露出線頭，不用時要記得拿絕緣膠帶把線頭分別包起來
ps. 電池盒一般用的電線規格為22awg，能承受的電流最大約1.5安培
當然峰值電流超過一下不會馬上燒毀
但還是要注意一下電流有沒有超標
若有大用電需求建議找電線粗一點的電池盒
5.鋰電池的充電要用4.2V，一般市售的簡易型充電器即可
有內建防過充保護晶片，只是功能較陽春
偷懶的作法可以用8.4V的變壓器，搭配2節電池盒一次充兩顆
一樣有過充保護晶片跟指示燈，但兩顆串連充電有不平衡充電之疑慮
參考：https://www.ruten.com.tw/item/show?21922587972835
※電池充電有一定危險性，充電時人一定要在旁邊顧著。
6.早期的手機電池(鎳鎘電池)有記憶效應，所以都會宣導要將電量完正用完再充電。
而鋰電池正好相反，鋰電池不但沒有記憶效應，還非常怕把電放光，
電量低到一定程度後，鋰電池的化學結構會開始崩解，對蓄電能力造成不可逆的損傷。
7.鋰電池要過放電非常容易，雖然電壓低於3.7V後可以感覺到放電能力下降
但只要接著LED燈或一個小馬達，小電流就可以一點一滴地把電榨光
做專題時可以加個晶片保護，市面上可以買到充放電模組有充電、穩壓、過放保護三合一功能
參考TP4056模組：https://www.ruten.com.tw/item/show?21407135645750
USB輸入5V，穩壓成3.7V充電、輸出，2.5V過放保護
ps. 有些帶升壓功能的充放電模組設計不良，即使沒負載時升壓線圈仍會有些許耗電
進而導致電池過放，要特別注意。
8.智慧型的充電器
智慧型充電器標榜充電時會自動調整最佳充電電壓跟電流，可以提高電池使用壽命。
但我買智慧型充電器，主要是為了電池修復功能，
屬於附加功能啦，有一定機率可以救回過放的電池：
上面兩台都有網友推薦，我兩台都買了，價格差不多，充電速度差不多，功能也類似。
Nitecore是老牌子、Nokoser可以由電池逆向供電給USB(當行動電源、展示作品時可以供電)，
ps. Nitecore 推出了新版充電器 i4 ，請參考：：https://www.ruten.com.tw/item/show?21308204759472
9.若用智慧型充電器仍救不回來過放電池，就只好回到老招式，電源供應器加穩壓板
(1)接好電極，小心正負極不要碰到。
(2)將穩壓板電壓調到3V，充個6小時。
(3)用三用電表量18650電壓，若電壓有升到1.0~2.0V，
將穩壓板電壓調到4.2V再充一段時間。
(4)將18650丟回智慧型充電器，若有偵測到就成功了。
ps. 網路上關於電池過放的土炮救援法有很多種，眾說紛紜..
還有丟冰箱、用12V強灌...分兩段電壓充也是其中一種
有沒有效果不一定，但一定比較安全啦
但最好還是養成定期充電的習慣，電池放太久老化就沒救了
不用時盡量將電池拔下來防止過放
六、鋰聚合物電池Lipo
1.俗稱鋰聚，跟鋰鐵電池化學成分有點差別，但都是鋰電池啦，特性也差不多。
相較於18650，包裝有多種變化，適用於各種電子產品。
鋰聚合物電池跟鋰電池一樣害怕過充跟過放，
通常3C產品只要有用到鋰電池都會針對其設定充放電保護機制。
鋰聚體積小、包裝彈性、重量輕(相較於電瓶)、又能提供大電流，
深受模型車跟四軸玩家喜愛。
※以下討論的鋰聚合物電池，僅以模型用鋰聚為例：
推薦：https://www.ruten.com.tw/item/show?21311053161857
2.鋰聚合物電池是最難照顧的電池，除了要常充電、怕過充過放以外
不用時還要想辦法充或降到保存電壓，才能存放。
稍有不甚馬上就看到電池膨脹了，還有爆炸的風險...
且缺少硬殼的保護，使用時要小心碰撞和穿刺。
3.鋰聚是有所有電池中可以提供最大電流的產品
鋰電池的放電倍率以C表示，代表最大的放電電流除以一般工作電流的倍率
以一個標示2000mah、5C的電池為例，以2A的電流可以供電一個小時
但在極限的情況下，可以瞬間放出5倍，也就是10A的電流。
模型用的鋰聚，放電倍率可以達到 5C~130C
4.電流、電壓、功率檢測
雖然馬達製造商會提供輸出功率跟電流的數據，但實際上馬達耗掉多少電流，
還是直接用電表量最準，但一般上課用三用電表很少能夠量測到1A以上的電流，
也無法同時量測電壓，更遑論還要去推算功率。
模型店老闆跟我推薦了一個好工具：能夠同時量測電流、電壓、功率的三合一電表
參考FT08 RC 150A檢測儀：https://www.ruten.com.tw/item/show?21949982881506
直接串聯在電路上就可以使用，雖然量測沒有標準的電流計準確，
但使用起來簡單、也可拿來量鋰聚電壓，是個方便的好工具。
ps. 這款檢測儀號稱可以量測150A ???
其實線徑只有14AWG.... 應該超過16就顆顆了
但是臨時測量還OK，千萬不要長期接在電路上使用，
否則可能會限制到電流供電。
5.接頭
為了方便電路的連接以及零件的更換，通常我們會在電線上做接頭
例如Arduino Uno板上的DC插頭、小型模型車常用的JST接頭
機器人專題在接頭的選擇要更加小心，
基礎的防鬆脫、防反接、防水等功能以外，
大型專題用的接頭通常需要耐高壓、耐高電流、耐高溫
推薦電池部分的接頭用XT30、XT60
馬達部分的接頭用3.2mm金插 or 4.0mm金插
越大的接頭需搭配越粗的線徑，ex：XT60接頭 搭配 12awg矽膠線
以電子變速器為例：
電源端使用XT60、馬達端使用3.2金插、訊號端使用杜邦線
若買來的零件的接頭不對，建議直接剪掉重接，
盡量少用轉接線(轉接會有損耗，電阻增加、也拉高電流)
電線與接頭連接記得要上錫，不能像杜邦線針腳僅靠壓接
※為什麼電池跟馬達要用不同的接頭?
為了測試馬達，我們常拿電池直接接上馬達看看是否能轉動
然而在大型專題上，拿電池直接為馬達上電的行為十分危險
以997馬達為例，啟動瞬間電流可能達到3A，
插拔接頭時，可能會因為連接不完全或接觸不良拉升電阻，進而冒出火花
有時我們在拔電器插頭會冒火花也是一樣的原理
因此模型車在電池和馬達使用不同接頭，可以避免誤觸。
6. 鋰聚合電池通常由多芯串聯組成，常見規格分為1S~8S，代表cell的數量。
模型車常用的鋰聚為3S，電壓標示為11.1V (3.7 x 3 =11.1) ，最高可以到14.6V
7. 由於鋰聚是由多個cell串聯，充電時可能會發生有些過充、有些充不飽的現象
為了確保每個cell都能充到4.2V(即平衡充電)，一定要用專用充電器，
ps. 18650兩顆串聯用8.4V充電也會有無法平衡充電的疑慮。
鋰聚一般都有兩組出線，粗電線那組用來供電、另一組用來檢測電壓(莫式接頭)
參考：https://www.ruten.com.tw/item/show?21821071636445
8.保存電壓
鋰聚最麻煩的就是保存電壓，充飽電後若24小時內沒有使用就要
趕緊拿到充電器降到保存電壓，建議的電壓為3.85V，而且要每個cell都降下來
降到保存電壓還有一個麻煩的地方，那就是使用前要再拿去充飽。
所以鋰聚是一種使用前後都要照顧的電池，這時充電器的好壞就很重要了
買充電器的時候要記得找有自動升降至保存電壓以及快速充電功能的。
在保存電壓狀態下的鋰聚合電池大概可以放半年，
但電池還是要時常用比較不浪費
9. 電量顯示器+低電壓警示
檢測電量的好幫手，現在都會附帶蜂鳴器警示了。
使用時可以一直插在檢測線上，電壓過低馬上就知道。
