02-机械与硬件-电源与电池

作者：姚博文 · 2026-09-15

电源与电池

定位: 锂电池选型（18650 圆柱/软包/磷酸铁锂）、容量/C率/内阻/循环寿命、串并联组包与 BMS 保护、BEC 与 DC-DC 降压、逻辑电与动力电分区设计、CC-CV 充电与均衡、INA219 电流电压监测（I2C 接线/寄存器/Python 读码），以及过充过放/短路/热失控的安全防护 | 适用: 智能小车/移动机器人开发

1\. 概述

一句话总结（给非专业读者）：电池是小车的"油箱+发电机"，但它脾气比汽油难缠——充电方法不对会鼓包起火，放电太深会永久缩短寿命，电机大电流一开还会把逻辑电路的"地线"抬起来导致单片机复位。这篇解决四件事：**选对电芯并安全组包**（18650 怎么串并联、BMS 保护什么）、**给逻辑电路稳定供电**（BEC/DC-DC 降压、逻辑电与动力电分区、单点接地）、**看懂电到底用了多少**（CC-CV 充电、INA219 电流电压监测）、**别烧车**（过充过放、短路、热失控防护与存放）。

在自主导航链路中的位置（与 `00-路线图/学习路线图.md` 的硬件链路对应）：

电源是链路里**最容易被低估**的一环：里程计漂移可能是 IMU 供电纹波造成的，导航"莫名重启"可能是电机 PWM 拉低的地线抬升，续航虚标可能是内阻压降没算进去。电源设计不是一次性任务——每次加传感器、换电机都要重新算一遍功率预算。

本文回答的具体问题：

· 18650 / 21700 / 软包 / 磷酸铁锂（LFP）怎么选，容量、C率、内阻、循环寿命这些参数怎么读（§2.1–2.3、§3.1–3.2）；

· 几串几并（2S/3S/2S2P）怎么定，电芯一致性为什么重要，BMS 到底保护什么（§2.4、§3.3）；

· CC-CV 充电曲线是什么、均衡怎么做、家用/智能充电器怎么设参数（§2.5、§4.6）；

· BEC 和 DC-DC 降压模块的区别，逻辑电与动力电为什么要分区、地线怎么接（§2.6–2.7、§3.4、§4.3–4.4）；

· INA219 怎么接线、寄存器怎么配、Python 怎么读数（§4.5，含官方数据手册核对过的校准算例）；

· 过充、过放、短路、热失控怎么防，电池怎么存放（§5、§4.7）。

前置阅读：`02-机械与硬件/电机与驱动器.md`（电机功率/电流从何而来）；`02-机械与硬件/底盘与机构.md`（整车质量，影响功耗预算）。

2\. 基本原理

2.1 容量、C 率与能量

**容量（Capacity）**：电池能放出的电荷量，单位安时（Ah）或毫安时（mAh）。1 Ah = 以 1 A 电流放电 1 小时。

**C 率（C-rate）**：以"1 小时放完自身容量"为基准的倍率，是锂电池最通用的读写单位：

$$

I_{C} = C\text{率} \times \text{容量}, \qquad \text{例如 } 2500\,\text{mAh 电芯: } 1C = 2.5\,\text{A},\ 0.5C = 1.25\,\text{A}

$$

直觉解释：C 率是"电池工作强度的标尺"。

· **放电 C 率越高** → 电池越"吃力"：内阻压降越大（§2.2）、发热越多、循环寿命越短；

· **充电 C 率越高** → 析锂风险越高（负极来不及嵌锂，锂金属沉积在表面，刺穿隔膜就短路），锂电池充电一般不超过 1C，小车用 0.5C 是稳妥值；

· 电芯规格表上的"最大持续放电电流"通常用 C 率或绝对值（A）标注，**选型时持续工作电流应小于其 1/2，峰值小于其 2/3**（留裕量，见 §4.1 算例）。

**能量（Energy）**：容量 × 标称电压，单位瓦时（Wh），是"油箱总容积"：

$$

E = V_{nom} \times C_{Ah} \qquad \text{例: 2S 锂电 } 7.4\,\text{V} \times 5\,\text{Ah} = 37\,\text{Wh}

$