電池與電源管理

由于無(wú)線手機(jī)的通話與待機(jī)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，又能支持更多種類的復(fù)雜無(wú)線應(yīng)用系統(tǒng)，因此整合式電源供給正迅速成為這類產(chǎn)品的一項(xiàng)重要需求。本文將討論電池、電池系統(tǒng)以及電源的轉(zhuǎn)換。

我們所要討論的第一個(gè)主題就是系統(tǒng)的心臟：電池。討論的內(nèi)容則包括了電池的種類、電池的充放電以及系統(tǒng)的維護(hù)；我們將會(huì)討論電源需求、安全考量、成本、單位電池（cell）的數(shù)目、對(duì)環(huán)境的影響、壽命周期、單位電池的額訂電壓以及各種電池的優(yōu)缺點(diǎn)（鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及鋰聚合物電池）。

電池是什么？

電池會(huì)透過(guò)化學(xué)物質(zhì)或離子的交換反應(yīng)，把能量?jī)?chǔ)存在所產(chǎn)生的電位場(chǎng)中。對(duì)于可拋棄式電池（或稱為一次電池）來(lái)說(shuō)，想透過(guò)電路操作來(lái)還原這些反應(yīng)是一件不可能或不切實(shí)際的事情；但是對(duì)于充電電池（又稱為二次電池）而言，如果我們外加一個(gè)電壓，并且讓它的大小超過(guò)電池電壓，就可以讓這些反應(yīng)還原，同時(shí)將能量?jī)?chǔ)存到電池內(nèi)部，而不是從電池取出能量。電池管理就是管理一系列的化學(xué)反應(yīng)。

電池為什么需要管理？

所謂「二次化學(xué)反應(yīng)」是指發(fā)生在電池組件之間的化學(xué)反應(yīng)，也就是儲(chǔ)存與釋放能量等一次反應(yīng)之外的其它化學(xué)反應(yīng)。二次反應(yīng)不但會(huì)釋出額外的熱量，而且隨著時(shí)間與壽命周期（充電與放電的次數(shù)）的增加，還會(huì)產(chǎn)生一些固態(tài)、液態(tài)或是氣態(tài)的副產(chǎn)品，其中固態(tài)雜質(zhì)會(huì)在電池的反應(yīng)表面上結(jié)晶，并且遮住可用來(lái)儲(chǔ)存電荷的「反應(yīng)位置」（reaction sites）。熱量會(huì)從液體或氣體電解質(zhì)中蒸發(fā)出重量較輕的成份，如果氣體的產(chǎn)生速率大于電池零件所能吸收的速率，就會(huì)在密封電池的內(nèi)部產(chǎn)生壓力，而未密封的電池則會(huì)造成「氣體外泄」的現(xiàn)象，并改變化學(xué)物質(zhì)的組合成份。

如果我們對(duì)一顆已經(jīng)處于滿電位的電池繼續(xù)施加能量，那么二次反應(yīng)的速度就會(huì)大幅加快，這就是所謂的電池「過(guò)度充電」（overcharging），它不但讓電池的蓄電能力降低，還會(huì)縮短電池的周期壽命；此外，對(duì)于某些電池化學(xué)來(lái)說(shuō)，過(guò)度放電也會(huì)造成同樣的效果。為了釋出內(nèi)部的壓力，電池的密封有可能被這些高壓氣體沖破，可能造成暫時(shí)或是永久性的破壞。 電池有一個(gè)「自放電率」（self-discharge rate），這是指在未供應(yīng)電流給外部負(fù)載的情形下，電池自行「泄漏」儲(chǔ)存電力的速度。當(dāng)電池完成充電后，我們?nèi)皂氝M(jìn)行維護(hù)性或「浮動(dòng)式」（float）充電，而且充電速率必須等于電池的自放電率，才能讓電池一直保持在滿電力的狀態(tài)。

電池常常被串聯(lián)或是并聯(lián)在一起使用。若采用這樣的工作方式，那么只要這些電池之間有些許差異，就可能對(duì)某些電池化學(xué)產(chǎn)生很大的影響。因此，電池制造商與代工制造商必須要求電池有相同的化學(xué)、制造商、出廠時(shí)間、甚至是生產(chǎn)批號(hào)。甚至某些電池化學(xué)還是必須監(jiān)測(cè)所有的電池。
　
單位電池、電池和電池組

電池的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固有電壓，這個(gè)電壓是電池化學(xué)反應(yīng)的一項(xiàng)性質(zhì)，它與電池的結(jié)構(gòu)或是體積大小無(wú)關(guān)。如果一個(gè)組件能產(chǎn)生這樣的一個(gè)固有電壓，就稱為是一個(gè)「單位電池」（cell）。一個(gè)「電池」（battery）可能包含很多個(gè)單位電池，可以串聯(lián)、并聯(lián)或是混聯(lián)在一起，并且全部安置在同一個(gè)case中。在一個(gè)「電池外殼」（enclosure）中放入多個(gè)單位電池或是電池，而且這些單位電池或電池都有自己的case，則這個(gè)電池外殼就稱為「電池組」（pack）。

應(yīng)用系統(tǒng)也可使用多個(gè)電池組，這或許是因?yàn)樗毜碾娏Τ隽艘粋€(gè)電池組的供電能力，或許是為了讓一個(gè)電池組供電，其它的電池組則進(jìn)行充電或維護(hù)。這類應(yīng)用系統(tǒng)可能對(duì)電池管理電路有些其它的要求，以便在充電周期的不同時(shí)間點(diǎn)上，或是在不同的安裝與拆卸條件下，都能依序?qū)Ω鱾€(gè)電池組進(jìn)行充電。
電池結(jié)構(gòu)的專門術(shù)語(yǔ)

單位電池中有兩個(gè)反應(yīng)表面，它們的化學(xué)成份并不相同，并且由一些不起化學(xué)反應(yīng)也不導(dǎo)電的分隔層將它們固定隔開(kāi)，在反應(yīng)表面之間則會(huì)填滿一種電化學(xué)反應(yīng)良好的材料，稱為電解質(zhì)；在大多數(shù)商用電池中，電解質(zhì)是一種液體或是膠質(zhì)，但是在一些比較少見(jiàn)的電池中，可能是氣體或是固體。在反應(yīng)表面上有一些電路接點(diǎn)（tabs），其中高電位材料上的接點(diǎn)稱為正接點(diǎn)，低電位的材料為負(fù)接點(diǎn)。在電池case內(nèi)部還有兩塊特別區(qū)域，彼此互不導(dǎo)電，主要是做為電池的正極與負(fù)極；其中正極會(huì)經(jīng)由一條線路連接到單位電池內(nèi)的正接點(diǎn)，負(fù)極則會(huì)連接到負(fù)接點(diǎn)。

由于絕大多數(shù)的電池都是圓柱形狀，因此廠商會(huì)在負(fù)極材料上面覆蓋一層的分隔層，然后再蓋上一層的陽(yáng)極材料，最后再把它們卷起來(lái)，裝入圓柱狀的電池內(nèi)。另一方面，如果可以折疊這些分層覆蓋的材料，就可以做出更節(jié)省空間的方型電池。鉛酸電池就采用了方型的外殼，電池內(nèi)部會(huì)加入電解液，然后將正極電板與負(fù)極電板一片片的輪流固定，并且浸泡在這些電解液中。

在所有的商用電池中，廠商都會(huì)在單位電池內(nèi)做一個(gè)釋出壓力的安全結(jié)構(gòu)，以便在過(guò)度充電情形極為嚴(yán)重時(shí)，用一種受控制的方式將氣體排出。某些電池還會(huì)包含保險(xiǎn)絲組件以及超溫保護(hù)組件，這在鋰離子電池中最常見(jiàn)。
選擇充電電池的化學(xué)機(jī)制

要針對(duì)特定的應(yīng)用來(lái)選擇電池化學(xué)，就必須讓電池化學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)的特性能夠相互配合；在今天的商業(yè)應(yīng)用中，常用的電池化學(xué)有五種。

表1：五種主要的電池化學(xué)
1. 鎳鎘電池（NiCd）
2. 鎳氫電池（NiMH）
3. 鋰離子電池（Li-ion）
4. 堿性充電電池
5. 封閉式鉛酸電池

傳統(tǒng)上，消費(fèi)性家電產(chǎn)品的充電電池大都是鎳鎘電池，因?yàn)殒囨k電池是一種成熟的產(chǎn)品，并且我們了解鎳鎘電池的化學(xué)反應(yīng)。但在另一方面，鎘金屬的管理卻越來(lái)越嚴(yán)格，某些地區(qū)還要求對(duì)它做強(qiáng)制回收，再加上鎳鎘電池是一種成熟的產(chǎn)品，因此在容量和壽命周期上也沒(méi)有太大的改良空間。

相較于鎳鎘電池，無(wú)論在單位重量或是單位體積的電能儲(chǔ)存密度上，鎳氫電池都提供了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)；鋰離子電池的表現(xiàn)則又進(jìn)了一步，因?yàn)樗碾娔軆?chǔ)存密度要比鎳鎘電池高出一倍以上。雖然鎳氫或鋰離子化學(xué)機(jī)制有其優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)則是電路相當(dāng)脆弱，其中又以鋰離子機(jī)制特別明顯，它不但會(huì)因?yàn)殡姵毓芾聿涣级鴵p壞，而且電解質(zhì)還可能著火，因此電池管理就相當(dāng)?shù)闹匾?。廠商通常會(huì)在鋰離子電池組的內(nèi)部裝上一些故障保護(hù)機(jī)制，以便在電壓／電流過(guò)大或是溫度過(guò)高的時(shí)候，將電池與負(fù)載以及／或是充電器之間的電路切斷；此外，廠商多半還會(huì)在電池組的內(nèi)部裝上另一組特殊電路，提供可重設(shè)的保護(hù)功能。但是，鎳氫或是鋰離子電池的電流供應(yīng)能力還是比不上鎳鎘電池，對(duì)于耗電量較大、卻又無(wú)法使用外部電源的絕大多數(shù)產(chǎn)品，鎳鎘電池仍然是較佳的選擇。

堿性充電電池的形狀與一次電池相同，主要目的也是用來(lái)取代這些可拋棄的電池；雖然售價(jià)約是一次堿性電池的兩倍，但是就電池的使用壽命而言，整體成本卻比后者低了許多。對(duì)于低電流應(yīng)用需求來(lái)說(shuō)，它們不但是最便宜的充電化學(xué)機(jī)制，而且也擁有最小的自放電率。堿性充電電池的缺點(diǎn)在于周期壽命最短，若在每一次的充放電周期中，將電池完全充滿，那么這類電池大約可使用25次。
汽車上的電池大都是鉛酸電池，不但可供應(yīng)很大的電流，而且是成本最低的電池反應(yīng)化學(xué)機(jī)制。鉛酸電池能夠承受長(zhǎng)時(shí)間的維護(hù)性充電電流，因此常?？稍趥鹘y(tǒng)的「浮動(dòng)式」（floating）電源設(shè)備中發(fā)現(xiàn)它的蹤跡，例如不斷電系統(tǒng)或是緊急照明裝置。另一方面，鉛酸電池的缺點(diǎn)最主要的是單位重量或是單位體積的電能儲(chǔ)存密度最低。

對(duì)大型的商業(yè)應(yīng)用，電池化學(xué)的下一步應(yīng)是鋰聚合物反應(yīng)，這是相當(dāng)令人振奮的技術(shù)，因?yàn)樗岆姵刈兂闪艘粡埡苡袕椥缘木酆衔锉∑?，夾在陰極與陽(yáng)極材料之間。這項(xiàng)特色開(kāi)啟了一道應(yīng)用大門，廠商終于可把電池做成任何一種形狀；此外，從電池管理電路的角度來(lái)看，鋰聚合物的絕大多數(shù)性質(zhì)都和鋰離子化學(xué)相同。
　
充電與放電速率

充電與放電速率會(huì)對(duì)電池化學(xué)造成影響，這主要表現(xiàn)在電池的蓄電能力，一般是用「安培小時(shí)」來(lái)代表電池的蓄電能力（鋰離子電池則大都使用「瓦特小時(shí)」，這是因?yàn)殇囯x子單位電池的電壓較高，使得電能儲(chǔ)存量的重要性超過(guò)了電流儲(chǔ)存量。）

電池在充電時(shí)，總是會(huì)針對(duì)電池的電壓、電流和溫度設(shè)定一些保護(hù)條件，若用越快的速度充電，那么電池的狀態(tài)就會(huì)更快突破這些保護(hù)條件，導(dǎo)致它所能接受的能量反而減少。同樣的，如果電池的放電速率越快，那么電壓下降的速率就會(huì)超過(guò)蓄電量減少的速率，導(dǎo)致電池的實(shí)際工作時(shí)間比額訂的放電時(shí)間還短。因此，相較于放電速率較慢的應(yīng)用場(chǎng)合，高放電速率的應(yīng)用系統(tǒng)（例如電源工具）就需要完全不同的補(bǔ)償因素，才能完全彌補(bǔ)這個(gè)現(xiàn)象。

由于電池的儲(chǔ)存能量以及供應(yīng)能量分別是充電速率與放電速率的函數(shù)，因此可用「C」來(lái)代表這些速率，它是用操作電流大?。ò才啵┏钥傂铍娏浚ò才嘈r(shí)）所得的結(jié)果；舉例來(lái)說(shuō)，若放電速率為1C，就表示一個(gè)小時(shí)就能把電池的電力用盡。充電所須的時(shí)間會(huì)比原來(lái)的C速率還要長(zhǎng)，因?yàn)殡姵氐某潆娦什豢赡苓_(dá)到百分之一百，而是會(huì)隨著電池種類的不同而改變，從鎳氫電池的80%到鋰離子與充電堿性電池的100%左右。

溫度效果

電池的溫度若與25℃相差越多，那么電池的蓄電量、充電能力、保存期限以及周期壽命就會(huì)減少的更多。一般說(shuō)來(lái)，電池的自放電率會(huì)隨著溫度的上升而增加，大約每10℃就增加一倍。除了鎳鎘電池之外（它的充電化學(xué)反應(yīng)是一種吸熱反應(yīng)），其它電池在充電時(shí)，溫度都會(huì)上升；若采用過(guò)度充電的方式，那么溫度上升的速度還會(huì)加快。在鎳鎘電池當(dāng)中，通常會(huì)使用DT/Dt來(lái)做為快速充電的中止條件，它代表溫度相對(duì)于時(shí)間的變化速率。由于電池溫度上升的時(shí)候，電解質(zhì)的電阻就會(huì)減少，因此若充電算法不去檢查電池的溫度，那么隨著電解質(zhì)電阻的降低，充電電流就會(huì)不斷增加，進(jìn)而造成電池溫度繼續(xù)上升，并形成一個(gè)危險(xiǎn)的正回授路徑，這種情形稱為「熱失控」（thermal runaway）。

電池的充電

穩(wěn)定充電器（trickle charger）
最保守的充電解決方案只包含一個(gè)「穩(wěn)定」（trickle）充電階段，只要電池與充電器連接在一起，它就會(huì)以制造商所指定「標(biāo)準(zhǔn)」充電速率（通常是C/10左右）繼續(xù)對(duì)電池充電。這種充電器完全不須管理，它不會(huì)用電池監(jiān)測(cè)器或是定時(shí)器來(lái)停止充電，因此成本最低。

快速充電器（quick charger）
快速充電的速率約是C/3或C/4，可將電池的充電時(shí)間縮短為4或5個(gè)小時(shí)?？焖俪潆娖魍ǔＪ怯?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/定時(shí)器/" target="_blank">定時(shí)器來(lái)控制，時(shí)間一到就停止充電，不須再使用其它的電池監(jiān)測(cè)器。這種技術(shù)雖能降低充電器的成本，但制造必須考慮到，讓電池在充滿電力的情形下，仍能承受一次完整周期的過(guò)度充電；這樣若使用者不小心對(duì)一顆電力已滿的電池重新充電，也不會(huì)造成電池的損壞。快速充電電池的結(jié)構(gòu)與正常電池有些不同，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)做的比較大，這樣才能吸收過(guò)度充電時(shí)所產(chǎn)生的氣體。

高速充電器（fast charger）
高速充電速率通常是1C或2C，但目前也有廠商推出了一些充電速率高達(dá)4C的電池。由于在過(guò)度充電的情形下，這些電池可能造成很大的損害，因此必須使用一種「智能型」（smart）充電器，由它來(lái)監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)，同時(shí)規(guī)定很嚴(yán)格的「充電中止條件」。智能型充電器內(nèi)部包含了相關(guān)的電路，除了控制充電過(guò)程之外，還負(fù)責(zé)提供其它三項(xiàng)功能：電池狀態(tài)的調(diào)節(jié)、充電開(kāi)始之前的電池鑒定、以及確保充電過(guò)程符合所設(shè)定的安全條件。

電池狀態(tài)的調(diào)節(jié)
當(dāng)電池使用一段時(shí)間后，在反應(yīng)表面上會(huì)形成一些結(jié)晶，會(huì)妨礙充電的進(jìn)行，而其中某些結(jié)晶只有透過(guò)實(shí)際接觸方式才能清除。但是，受到電機(jī)效應(yīng)的影響，目前還沒(méi)有一種可靠的方法能用電氣方式除去這些結(jié)晶。若使用者對(duì)于電池的管理良好，避免過(guò)度充電的情形發(fā)生（在某些化學(xué)機(jī)制中還包括過(guò)度放電），那么相較于被濫用的電池，前者的二次反應(yīng)副產(chǎn)品累積速度就會(huì)比較慢，而且工作時(shí)的溫度也比較低，這不但能延長(zhǎng)電池的周期壽命，還可將電池的高蓄電能力維持一段較長(zhǎng)的時(shí)間。

要讓鎳鎘電池?fù)碛凶畲蟮男铍娏?，有一種電氣操作方式相當(dāng)管用。鎳鎘電池會(huì)受到「記憶效應(yīng)」的影響，也就是當(dāng)電流通過(guò)鎳鎘電池內(nèi)部已充電的儲(chǔ)存區(qū)域時(shí)，就會(huì)改變這個(gè)區(qū)域結(jié)晶結(jié)構(gòu)的相位狀態(tài)。在這個(gè)新的相位狀態(tài)下，無(wú)論在儲(chǔ)存能量或是釋放能量的反應(yīng)過(guò)程中，都只能得到較低的電壓。

在對(duì)鎳鎘電池充電之前，若先將電力釋放出來(lái)，就可讓充電區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)逆向進(jìn)行，并將結(jié)晶結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常，因此能消除電池的記憶效應(yīng)。對(duì)于鎳鎘電池來(lái)說(shuō)，充電前的放電動(dòng)作是一個(gè)很有用的充電前調(diào)節(jié)步驟。

電池的鑒定

電池鑒定的目的是為了確定電池的狀態(tài)正常，可接受充電。我們可以對(duì)電池進(jìn)行開(kāi)路與短路測(cè)試：在開(kāi)路測(cè)試的時(shí)候，在電池兩端加上一個(gè)電壓，然后調(diào)整這個(gè)電壓值，以得到最小的電池電流；在短路測(cè)試的時(shí)候，則會(huì)讓電池通過(guò)一個(gè)電流，然后調(diào)整這個(gè)電流的大小，以得到最小的電池電壓。一般說(shuō)來(lái)，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)所施加的電壓或電流都不會(huì)超過(guò)高速充電值的一半。

另一方面，制造商會(huì)指定一個(gè)充電溫度范圍，充電動(dòng)作只能在這個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。只要廠商在電池組內(nèi)裝一個(gè)熱敏電阻，那么在進(jìn)行高速充電之前，就可先檢查這些溫度限制。此外，若電池已經(jīng)過(guò)度充電，就不應(yīng)再度充電；若一個(gè)電池已經(jīng)釋放了大量的電力，并且不適合接受較高的充電速率，那么也不應(yīng)該再進(jìn)行高速充電。

電池鑒定失敗的處理方式有好幾種，要排除短路或開(kāi)路故障，更換電池是唯一的方法。若是溫度或電壓方面的問(wèn)題，那么充電器可能會(huì)進(jìn)入「暫停充電」（charging pending）的狀態(tài)，等待相關(guān)條件回到電池所允許的范圍。若電池的電壓過(guò)低，那么在電池的調(diào)節(jié)階段，充電器通常會(huì)采用穩(wěn)定充電的方式，讓電池電壓回升到高速充電所允許的最小電壓。

一套完整的充電解決方案最多可以包含四個(gè)部份：
高速充電算法
高速充電中止條件
充電完成（top-off）算法
維護(hù)性充電算法
在鉛酸電池世界中，高速充電階段又稱為「大量充電」（bulk charging）階段，用來(lái)對(duì)電池做快速的充電；至于電池的電力是否已經(jīng)儲(chǔ)滿？高速充電階段又應(yīng)該于何時(shí)停止？這些都是由高速充電中止條件來(lái)選擇適當(dāng)?shù)呐袛嘁罁?jù)。對(duì)鎳氫電池來(lái)說(shuō)，當(dāng)高速充電周期因?yàn)闇囟然蚴请妷旱南拗贫仨毻Ｖ箷r(shí)，通常還會(huì)有5% ? 20%的電力尚未充滿，因此充電器會(huì)繼續(xù)使用一個(gè)充電速率較小的「充電完成」階段（高速充電速率的1/5?1/8），來(lái)將鎳氫電池的充電工作完成。一般說(shuō)來(lái)，這個(gè)充電完成階段只會(huì)進(jìn)行一段固定的時(shí)間。接下來(lái)，則是由維護(hù)性充電階段或「浮動(dòng)階段」（float phase）來(lái)彌補(bǔ)電池的自放電率，讓電池能一直保持在充滿電力的狀態(tài)。

算法和中止條件的選擇會(huì)受到一些因素的影響，例如電池化學(xué)、應(yīng)用系統(tǒng)的特性、電池管理裝置所支持的選項(xiàng)、以及電池制造商所提供的產(chǎn)品保證條款（請(qǐng)參考表2）。