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关于电池和充电的知识

2015-01-04 17:31 来源:电子工程专辑

责编:陈默

关于电池和充电的知识

不论是数码相机,还是收音机,随身听,电池是所有设备的动力,电池性能的好坏决定了设备的使用性能。电池的结构不同,规格不同,容量的差别很大,就是相同规格的电池,由于型号不同,生产厂家不同,容量也不一样。拿我们最常用的AA尺寸电池(5号电池)来说,早期的镍镉电池容量是500mAh,新式的镍镉电池容量是850mAh,而同样尺寸的镍氢电池,容量更大,在1100mAh~2100mAh之间。

电池的容量是以mAh来计算的,你可以理解为在多少mA(毫安)电流下放电1小时。例如,1000mAh就是指电池可以在1000mA电流下放电1小时这么大容量。这样,假如负载(用电器)的耗电为100mA,该电池就可以放电10小时,假如负载电流为200mA,该电池可以使用5小时,依此类推。

电池的原理是化学反应产生电能,两种金属材料在电解液的作用下产生电流,这我们在中学的物理课中都学到过。不同种类电池的端电压也不相同,干电池为1.5V,氧化银电池为1.55V,银汞电池为1.3V,镍镉电池和镍氢电池为1.2V,铅酸电池为2V,一次性锂电池为3V,二次锂电池为3.6V。用电器的供电电压不同,使用的电池种类与节数也不同。例如,早期的爱娃随身听使用口香糖型铅酸电池,工作电压设计在2V,新式的索尼随身听使用镍镉口香糖电池,端电压为1.2V,现代的数码相机多使用锂电池,工作电压高达7.6V,需要两节二次锂电池串联供电(虽然是单体,但在外壳内封装了两节二次锂电池),而多数现代收音机都设计能够使用干电池或镍镉、氢镍电池,由2~4节电池串联供电,供电电压可以在一定的范围内改变。

一次性的电池不能再充电,象干电池,碱性干电池,氧化银电池,银汞电池,一次锂电池等。它们的电量用尽以后就只能报废了。有许多人试图给这类电池充电,设计了各种充电器,写了大量的文章,我也一样,曾经为此做出了很大的努力,对各种电池做过上百次试验,结果收效甚微,充电以后,电池的容量连新的一半也达不到,再放电很快就又枯竭了!但是今天仍然有不少文章,提出这种带有欺骗性的理论与充电产品。

随着科技的发展,电池的技术也不断进步,虽然这种进步比起其他电器来显得过于缓慢。镍镉二次电池已经有很长的历史了,其品种规格比较齐全,但多数为圆筒形,大小不一,容量不同。这种电池的放电性能比干电池好,内阻比较低,允许大电流放电,但记忆性较强,正常寿命在400次到1000次之间。近几年大量开发的镍氢电池具有更大的容量,更低的内阻,更适合大电流放电,记忆特性比镍镉小多了,寿命多在1000次充放电,价格也不贵多少。所以,镍氢取代镍镉已经是必然趋势,目前已经很少能够看到镍镉电池有售了。二次锂电池是最新一代高级电池,它具有端电压高,容量最高,内阻特低,性能稳定,寿命长的特点(充放电1000次以上)。但是它的售价比较高,主要用在高级电器上,如笔记本电脑,手机,掌上电脑,数码相机等等。

电池的记忆特性是这样的,假如你经常让电池放电到还剩一半容量就给它充电,那么日久它的实际容量就会减小。没有记忆特性的电池可以随时为它补充电,它的容量也不会有任何变化。目前只有锂电池号称是没有记忆特性的电池,但是,实际上任何化学电池都具有一定的记忆特性,如果你经常在它还没有完全放电的情况下为它补充电,那么它的容量就会越来越小,寿命会大大缩短。经过多次试验,我发现锂电池也一样有记忆特性,只是相比镍镉电池轻了一些。我们在使用电池时,唯一正确的方法是把电池彻底耗空以后再给它充电,并且采用合理的充电方法为它充电,见下文。

二次电池的充满电端电压不同,镍镉与镍氢的标称电压是1.2V,充满电以后在1.3~1.5V之间,随着放电很快回落到1.2V,放空电以后端电压在1V!这一点很重要,绝对不能把单节电池的电压放到1V以下,否则有损于电池寿命。深度的过放电往往会一次性彻底损坏电池,使电池内部短路!因此,大多数高级电器都具备自动关机控制电路,在电池的端电压降到1V时自动关闭电源,并且不让你再开机,保护电池不被损坏。同理,二次锂电池的端电压为3.6V,充满电在4V左右,放完电在3V,也不应该让电池放到3V以下。

干电池,镍氢电池和锂电池的放电特性不同,干电池的内阻较大,如果负载较重,电池的端电压会下降较多,而镍氢和锂的内阻就小多了,在大电流放电状态,还能够保持较接近标称的端电压。早期的闪光灯都是按照干电池的这种特性而设计的,一但换上了镍氢电池,工作电流会太大,把电路给烧掉了,所以,我们应该注意阅读说明书,看某种电器是否允许使用充电池。另外,干电池的放电特性比较差,其端电压会随着放电的进程逐渐下落,比如,新电池电压为1.6V,放到1/10寿命变为1.49V,放到3/10寿命下降为1.4V,放到5/10寿命,在下降为1.3V,放到9/10寿命,端电压就变为1.15V了。整个过程的电压变化很大。而氢镍和锂的特性就好得多了,整个放电过程端电压始终平稳,直到快要放电到一次寿命的终结时,电压才迅速下降,很快降到1V,结束周期。

有很多朋友询问关于电池充电的问题,我想在这里尽量帮助大家解答。二次电池的充电是采用直流电给电池“灌入”电能,其原理就是所谓的化学逆反应。但是,放电的能量与充电的能量不会一至,也就是说,充电的能量应该比放电的能量大1.4倍!!!举个例子说,1000mAh的电池应该用1400mAh的电量为它充电一小时才能充满,这并不违背能量守恒定理,因为充电时有约40%的能量变为热量散发了。标准的充电方法是使用0.1倍容量数的电流给电池充14小时。比如,还是1000mAh的电池,我用100mA电流给它充14个小时。这种充电方法可以保证电池被充满,而且电池温升不会太大(感觉不出来),充好的电池容量充足,电池寿命也达到最长。但是,这种充电的时间太长了,在使用上很不方便,所以,新式的充电器都设计了快速充电的电路,采用较大的电流给电池充电,比如用700mA电流给1000mAh的电池充2小时,这样,使用起来快速方便,但充电时电池会很热,不仅充得不够饱满,而且电池的寿命也会受到较大的影响!(比如本来1000次的寿命变成了400次甚至更短)。现在更有1小时,几十分钟的快速充电器,对电池的寿命危害较大。所以,很多朋友以为快速充电器是好东西,大错而特错了!采用0.2~0.3倍容量数的电流给电池充电,效果还是较好的,与标准充电比较接近,时间却缩短了一半或以上。

电池充电的电流比较有讲究,如果采用稳定的直流电流给电池充电,电极的极化作用很强,很快使电极上覆盖一层化学物质,隔绝了其与电解液的接触,使充电效率下降,经过多次充电以后,电极越来越失效,最后电池被充死。有关技术人员在这方面也作过多次试验,采用半波整流的直流电给电池充电,电池的内耗比较大,产生的热量较大,也会影响充电的质量,缩短电池的寿命。比较好的充电波形是一定频率的方波,这种波形可以抑制极化现象,保持电池的活力,充满标称容量,达到标称寿命。但是,方波的占空比要有一个设计,使停充时间尽量短,避免充电的效率下降太多,时间延长。最理想的充电方式是在约10年前由美国的一家公司开发的,它采用9/10周期的恒流充电,1/10周期的停止充电,并在这个停止期间插入了一个电流很大的(2.5倍容量数),时间极短的(3ms)放电刺脉冲,这个脉冲把极化作用给彻底破坏了,使电极保持新鲜,充电容量充足,甚至能使旧电池恢复一些容量!

电池的充电控制有各种方法。第一种是端电压控制法,也就是说,当把电池的端电压充到一定数值时就自动切断电源,或转为涓流充电(一般用较大的电流快充,接近达到容量时转为小电流慢充,以改进充电效果,叫涓流)。这种方法不太科学,因为每种规格的电池充满电以后的端电压不尽相同,所以可能会造成过充或欠充。第二种是定时法,也就是达到定时值以后自动转换状态。如果你每次都将电池用到100%容量再给它充电,这种方法就可以充得很饱满,而且不会过充,在电路上也比较容易实现。第三种是热量检测法,如果充电电流设计得比较大,那么电池在充电的末期会开始发热,尤其是过了标准充电周期以后的发热会急剧增加,这时安装在电池边上的感温元件就会发出信号,控制电路转换状态。该法的缺点是,必须采用较大的充电电流才能产生明显的发热,否则控制不够灵敏,还会受到环境温度的影响。尤其是,充电发热过高,很伤电池寿命。在电池发热时,实际上就已经处于过充电状态了!还有一种比较先进的方法,负增量法。当电池充电到达满容量时,其端电压会由逐步增高忽然变为下降一个微小值,这是二次电池的特性,在大电流充电时,这各负增量就变得比较明显。采用专门设计的电路来捕捉这个负增量,转而控制充电器是一个非常高级的设计。其优点是不会造成电池过充或欠充,也不必讲究电池必须用完才能充电,而可以随时补充电。但是,其一,负增量仅在大电流充电时才比较明显,如我们所知,大电流不是理想的充电方式。其二,每种电池的负增量不同,对它的检测也不太稳定,如果检测不到,电池就会被过充,使之损坏或爆炸,因此这种充电器一般还被同时辅以热检测双重控制。其三,检测负增量必须针对单节电池,如果针对串联电池,由于达到负增量的时间不同,正/负增量会相互抵消,使检测失败。因此,必须把电池从用电器中取出,分别装入特殊设计的电池夹才能充电,给使用带来了不便。其四,负增量检测电路复杂,专门的芯片也比较少见,价格昂贵,使充电器的成本增加。目前只有极少数的高级充电器采用这种结构。

最后说说目前的充电器产品。非常遗憾,现在的产品充电器有50%以上都是不合格的(我的观点)!!!许多很高级的电器,象随身听,手机,它们所佩戴的充电器没有任何自动停止充电控制,更谈不上波形变换电路了!我研究过大量这样的充电器,内部多是一个变压器,一个电阻,加一个二极管,也就是我上面所说的半波整流充电,充电多少时间你自己掌握(对了,我忘记说明了,对于小电流充电,过充造成的损害远远比大电流充电过充的损害要轻),但谁能准确地记得充电时间呢?这样,过充欠充是家常便饭,正常充电的效果也不好。许多手机充电器看似电路复杂,实际上那都是开关电源变换电路,根本没有自动停充控制,效果也一样。设计比较理想的充电器往往都是市上单独出售的比较贵价的产品,都带有某种控制电路。为此,我历经多年设计与试验,最后成功的作品发表在“电子制作”杂志上,我自认为它的优点远远多余其他大多数产品。

很多朋友都问关于充电的问题,看了我的文章你就清楚了,充电时间的计算很简单,用万用表的直流电流档测一下充电电流,然后用电池的容量乘以1.4倍,再除这个电流就是充电时间。但是半波整流电流值的测算比较麻烦,不能用电表直接测量,需要用试波器,还得经过计算才行,但如果你的充电器是半波的,也没有停充控制,我劝你还是把它扔了吧,再买一个高级的产品,别把昂贵的电池(锂电池)给充坏了。