battery-selector

电池选择器

为嵌入式项目提供电池化学体系和充电电路选择指南。

资源

此技能包含随附的工具和参考资料：

• scripts/compare_batteries.py - 电池对比计算器，支持 15 种以上电池类型
• references/safety-guidelines.md - 涵盖所有化学体系的全面安全指南

快速开始

交互式选择：

uv run --no-project scripts/compare_batteries.py --interactive

命令行：

# Find battery for 50mA project, 24h runtime
uv run --no-project scripts/compare_batteries.py --current 50 --hours 24

# Require rechargeable
uv run --no-project scripts/compare_batteries.py --current 100 --hours 12 --rechargeable

# List all batteries in database
uv run --no-project scripts/compare_batteries.py --list

适用场景

• “我应该使用哪种电池？”
• “如何为这个项目充电？”
• “锂电池还是碱性电池？”
• “这种电池安全吗？”
• 规划便携式／电池供电项目

决策流程图

START
  │
  ▼
Is project rechargeable? ──No──► Alkaline/Lithium Primary
  │                              (Disposable batteries)
  Yes
  │
  ▼
What voltage does MCU need?
  │
  ├── 5V ──► LiPo + Boost converter
  │          OR 3x/4x NiMH
  │
  ├── 3.3V ──► Single LiPo (3.0-4.2V)
  │            Directly compatible!
  │
  └── 12V+ ──► Multi-cell LiPo pack
               OR Lead-acid
  │
  ▼
How much current?
  │
  ├── <50mA ──► Small LiPo (500-1000mAh)
  │             OR Coin cell (CR2032)
  │
  ├── 50-500mA ──► Standard LiPo (1000-3000mAh)
  │                OR 18650 cells
  │
  └── >500mA ──► Large LiPo (3000mAh+)
               OR Multiple 18650s
               External power recommended

电池化学体系对比

快速参考

化学体系	电压	可充电	能量密度	成本	安全性
碱性电池	1.5V/节	否	中	低	非常安全
一次锂电池	3V	否	高	中	安全
NiMH	1.2V/节	是	中	中	安全
LiPo/Li-ion	3.7V	是	非常高	中	⚠️ 需要谨慎
LiFePO4	3.2V	是	高	高	比 LiPo 更安全
铅酸电池	2V/节	是	低	低	⚠️ 有酸液危险

碱性电池（AA/AAA/9V）

优点：

• 价格便宜，随处可买
• 无需充电电路
• 非常安全
• 保质期长（5-10 年）

缺点：

• 不可充电（会产生电子垃圾！）
• 放电时电压会下降
• 不适合大电流
• 单位容量较重

适用场景：

• 低功耗项目（平均电流 <20mA）
• 入门项目
• 充电不方便的远程／部署场景
• 备用电源

电压配置：

Cells   Voltage    Use With
────────────────────────────
2x AA   3.0V       3.3V MCUs (with LDO)
3x AA   4.5V       5V MCUs (direct or LDO)
4x AA   6.0V       5V MCUs (with regulator)
9V      9.0V       With 5V/3.3V regulator

---

NiMH（AA/AAA 可充电电池）

优点：

• 可充电（500-1000 次循环）
• 尺寸与碱性电池相同
• 比锂电池更安全
• 无记忆效应

缺点：

• 电压较低（1.2V 对比 1.5V）
• 自放电（约 20%/月）
• 需要合适的充电器
• 比 LiPo 重

适用场景：

• 替换一次性电池的项目
• 教育环境
• LiPo 风险过高的场景
• 经济型可充电方案

充电：

• 使用专用 NiMH 充电器
• 不要混用不同品牌或容量的电池
• 推荐使用 Eneloop/Eneloop Pro

---

LiPo / Li-ion（3.7V）

优点：

• 能量密度高（轻巧且动力强）
• 可充电（300-500 次循环）
• 放电曲线平坦
• 外形规格多样

缺点：

• ⚠️ 使用不当有起火风险
• 需要保护电路
• 对温度敏感
• 即使不使用也会老化

适用场景：

• 大多数便携式项目
• 对重量敏感的应用
• 需要较长续航时间的场景
• 专业项目

关键安全规则：

✅ DO:
- Use protected cells with BMS
- Store at 40-60% charge
- Use proper TP4056/similar charger
- Monitor temperature during charge
- Use battery with JST-PH connector (prevents polarity swap)

❌ DON'T:
- Puncture, crush, or bend
- Charge below 0°C
- Discharge below 3.0V
- Leave charging unattended (first few times)
- Use damaged/puffy batteries

---

LiFePO4（3.2V）

优点：

• 比 LiPo 安全得多（不会发生热失控）
• 循环寿命更长（2000 次以上）
• 放电曲线平坦
• 耐受不当使用的能力更强

缺点：

• 能量密度较低
• 电压较低（可能需要升压）
• 价格更高
• 小尺寸规格较少见

适用场景：

• 对安全要求严格的应用
• 户外／坚固耐用的部署
• 长期安装
• 无法接受 LiPo 风险的场景

---

CR2032 / 纽扣电池

优点：

• 体积小、重量轻
• 保质期长
• 输出 3V（可直接连接 3.3V MCU）

缺点：

• 容量非常低（220mAh）
• 大电流性能差
• 不可充电
• ⚠️ 吞食后有危险

适用场景：

• 仅限超低功耗场景（平均电流 <10µA）
• RTC 备用电源
• 微型传感器
• 钥匙扣、信标

电流限制：

Continuous: <2mA
Pulse: <15mA (brief)

DON'T use for: WiFi, Bluetooth, motors, LEDs

---

电压调节

3.3V 系统（ESP32、RP2040）

单节 LiPo → 3.3V：

LiPo outputs 3.0-4.2V
Most 3.3V MCUs tolerate this range directly!

Option 1: Direct connection (if MCU allows)
   LiPo(+) → 3.3V/VIN pin
   
Option 2: LDO for clean 3.3V
   LiPo(+) → [AMS1117-3.3] → 3.3V pin
   (Need 4V min input for AMS1117)

Better: Use HT7333 LDO (low dropout, low quiescent)
   Works from 3.3V input!

5V 系统（Arduino UNO/Nano）

LiPo → 5V：

Option 1: Boost converter
   LiPo(+) → [MT3608] → 5V → VIN pin
   
Option 2: PowerBoost module (Adafruit)
   Includes charging + boost + protection
   
Option 3: USB power bank
   Already regulated 5V + charging built-in

---

充电方案

TP4056 模块（最常用）

┌─────────────────────────────┐
│  TP4056 with Protection     │
│                             │
│  [USB-C] ─► [TP4056] ─► [DW01+FS8205] ─► [B+/B-]
│   IN         Charger     Protection      To Battery
│                             │
│  Features:                  │
│  - 1A max charge current    │
│  - Overcharge protection    │
│  - Overdischarge protect    │
│  - Short circuit protect    │
│  - LED charge indicator     │
└─────────────────────────────┘

Wiring:
  B+ → LiPo positive
  B- → LiPo negative
  OUT+ → Load/MCU positive
  OUT- → Load/MCU negative

⚠️ 请购买带保护功能的模块（6 个引脚，而非 4 个引脚）

Adafruit PowerBoost 500C/1000C

高端方案，包含：

• 通过 USB 为 LiPo 充电
• 5V 升压输出（500mA 或 1A）
• 低电量指示灯
• 负载共享（运行时可充电）

DIY 充电注意事项

❌ Never charge LiPo with a constant voltage supply
❌ Never charge LiPo with a phone charger directly
❌ Never charge at >1C rate (e.g., 1000mAh → max 1A)
❌ Never charge frozen batteries

---

电池容量计算器

Step 1: Determine average current (from power-budget-calculator)
        I_avg = _____ mA

Step 2: Determine required runtime
        T_required = _____ hours

Step 3: Calculate minimum capacity
        C_min = I_avg × T_required × 1.25 (safety factor)
        C_min = _____ × _____ × 1.25
        C_min = _____ mAh

Step 4: Select battery
        Choose capacity ≥ C_min
        Consider: size, weight, form factor

示例：

Project: Weather station
I_avg: 15mA
T_required: 48 hours (2 days between charges)

C_min = 15 × 48 × 1.25 = 900mAh

Selection: 1000mAh LiPo (gives ~67 hours actual)

---

常见错误

1. 使用错误的充电器

❌ "My 9V adapter should work"
   LiPo needs CC-CV charging at 4.2V max!
   
✅ Use TP4056 or dedicated LiPo charger

2. 未设置低电压截止

❌ Draining LiPo below 3.0V
   Permanently damages the cell!
   
✅ Use protection module OR monitor in code:
   if (batteryVoltage < 3.2) {
       enterDeepSleep();  // Protect battery
   }

3. 忽略浪涌电流

❌ Battery can't handle WiFi TX spike (500mA)
   Causes brownout/reset
   
✅ Add 100-470µF capacitor near MCU
✅ Size battery for peak current, not just average

4. 无反接保护

❌ Swapping battery wires = magic smoke

✅ Use JST-PH connectors (keyed)
✅ Add protection diode or P-FET

---

按项目类型推荐的配置

低功耗传感器节点

Battery: 18650 (3000mAh) or LiPo 2000mAh
MCU: ESP32 with deep sleep
Charger: TP4056 with protection
Runtime: Weeks to months

手持设备

Battery: LiPo 1000-2000mAh flat pack
MCU: Any
Charger: PowerBoost or TP4056 + boost
Runtime: Hours to days

机器人／大电流

Battery: 2S or 3S LiPo pack (7.4V or 11.1V)
Regulator: Buck converter to 5V
Charger: Balance charger (external)
Runtime: Minutes to hours

超低功耗信标

Battery: CR2032 or 2x AA
MCU: ESP32-C3 or ATtiny with deep sleep
No charger needed
Runtime: Months to years

快速选择表

项目类型	最佳电池	容量	充电器
简易 Arduino	4 节 AA 电池	2500mAh	无
便携式 ESP32	18650	2600mAh	TP4056
可穿戴设备	小型 LiPo	500mAh	TP4056
机器人	2S LiPo	2200mAh	均衡充电器
超低功耗	CR2032	220mAh	无
太阳能项目	LiFePO4	3200mAh	MPPT

共享输出约定

使用共享的 Arduino 技能约定： 说明假设、所需工具和版本、实现步骤、 按验证阶段列出的测试／证据、已知限制，以及恢复／安全说明。