電池與電源管理

電池與電源管理

由于無線手機(jī)的通話與待機(jī)時間越來越長，又能支持更多種類的復(fù)雜無線應(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)；我們將會討論電源需求、安全考量、成本、單位電池（cell）的數(shù)目、對環(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（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？

電池會透過化學(xué)物質(zhì)或離子的交換反應(yīng)，把能量儲存在所產(chǎn)生的電位場中。對于可拋棄式電池（或稱為一次電池）來說，想透過電路操作來還原這些反應(yīng)是一件不可能或不切實際的事情；但是對于充電電池（又稱為二次電池）而言，如果我們外加一個電壓，并且讓它的大小超過電池電壓，就可以讓這些反應(yīng)還原，同時將能量儲存到電池內(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)不但會釋出額外的熱量，而且隨著時間與壽命周期（充電與放電的次數(shù)）的增加，還會產(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)會在電池的反應(yīng)表面上結(jié)晶，并且遮住可用來儲存電荷的「反應(yīng)位置」（reaction sites）。熱量會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，就會在密封電池的內(nèi)部產(chǎn)生壓力，而未密封的電池則會造成「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)的速度就會大幅加快，這就是所謂的電池「過度充電」（overcharging），它不但讓電池的蓄電能力降低，還會縮短電池的周期壽命；此外，對于某些電池化學(xué)來說，過度放電也會造成同樣的效果。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，可能造成暫時或是永久性的破壞。 電池有一個「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、出廠時間、甚至是生產(chǎn)批號。甚至某些電池化學(xué)還是必須監(jiān)測所有的電池。
　
單位電池、電池和電池組

電池的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生一個固有電壓，這個電壓是電池化學(xué)反應(yīng)的一項性質(zhì)，它與電池的結(jié)構(gòu)或是體積大小無關(guān)。如果一個組件能產(chǎn)生這樣的一個固有電壓，就稱為是一個「單位電池」（cell）。一個「電池」（battery）可能包含很多個單位電池，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case中。在一個「電池外殼」（enclosure）中放入多個單位電池或是電池，而且這些單位電池或電池都有自己的case，則這個電池外殼就稱為「電池組」（pack）。

應(yīng)用系統(tǒng)也可使用多個電池組，這或許是因為它所須的電力超出了一個電池組的供電能力，或許是為了讓一個電池組供電，其它的電池組則進(jìn)行充電或維護(hù)。這類應(yīng)用系統(tǒng)可能對電池管理電路有些其它的要求，以便在充電周期的不同時間點上，或是在不同的安裝與拆卸條件下，都能依序?qū)Ω鱾€電池組進(jìn)行充電。
電池結(jié)構(gòu)的專門術(shù)語

單位電池中有兩個反應(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，在反應(yīng)表面之間則會填滿一種電化學(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（tabs），其中高電位材料上的接點稱為正接點，低電位的材料為負(fù)接點。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；其中正極會經(jīng)由一條線路連接到單位電池內(nèi)的正接點，負(fù)極則會連接到負(fù)接點。

由于絕大多數(shù)的電池都是圓柱形狀，因此廠商會在負(fù)極材料上面覆蓋一層的分隔層，然后再蓋上一層的陽極材料，最后再把它們卷起來，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，廠商都會在單位電池內(nèi)做一個釋出壓力的安全結(jié)構(gòu)，以便在過度充電情形極為嚴(yán)重時，用一種受控制的方式將氣體排出。某些電池還會包含保險絲組件以及超溫保護(hù)組件，這在鋰離子電池中最常見。
選擇充電電池的化學(xué)機(jī)制

要針對特定的應(yīng)用來選擇電池化學(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，消費性家電產(chǎn)品的充電電池大都是鎳鎘電池，因為鎳鎘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越嚴(yán)格，某些地區(qū)還要求對它做強(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有太大的改良空間。

相較于鎳鎘電池，無論在單位重量或是單位體積的電能儲存密度上，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，因為它的電能儲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，但缺點則是電路相當(dāng)脆弱，其中又以鋰離子機(jī)制特別明顯，它不但會因為電池管理不良而損壞，而且電解質(zhì)還可能著火，因此電池管理就相當(dāng)?shù)闹匾S商通常會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／電流過大或是溫度過高的時候，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，對于耗電量較大、卻又無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，主要目的也是用來取代這些可拋棄的電池；雖然售價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。對于低電流應(yīng)用需求來說，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時間的維護(hù)性充電電流，因此常常可在傳統(tǒng)的「浮動式」（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，鉛酸電池的缺點最主要的是單位重量或是單位體積的電能儲存密度最低。

對大型的商業(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)，因為它讓電池變成了一張很有彈性的聚合物薄片，夾在陰極與陽極材料之間。這項特色開啟了一道應(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

充電與放電速率會對電池化學(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」來代表電池的蓄電能力（鋰離子電池則大都使用「瓦特小時」，這是因為鋰離子單位電池的電壓較高，使得電能儲存量的重要性超過了電流儲存量。）

電池在充電時，總是會針對電池的電壓、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超過蓄電量減少的速率，導(dǎo)致電池的實際工作時間比額訂的放電時間還短。因此，相較于放電速率較慢的應(yīng)用場合，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)這個現(xiàn)象。

由于電池的儲存能量以及供應(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）所得的結(jié)果；舉例來說，若放電速率為1C，就表示一個小時就能把電池的電力用盡。充電所須的時間會比原來的C速率還要長，因為電池的充電效率不可能達(dá)到百分之一百，而是會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減少的更多。一般說來，電池的自放電率會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，溫度都會上升；若采用過度充電的方式，那么溫度上升的速度還會加快。在鎳鎘電池當(dāng)中，通常會使用DT/Dt來做為快速充電的中止條件，它代表溫度相對于時間的變化速率。由于電池溫度上升的時候，電解質(zhì)的電阻就會減少，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，充電電流就會不斷增加，進(jìn)而造成電池溫度繼續(xù)上升，并形成一個危險的正回授路徑，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「穩(wěn)定」（trickle）充電階段，只要電池與充電器連接在一起，它就會以制造商所指定「標(biāo)準(zhǔn)」充電速率（通常是C/10左右）繼續(xù)對電池充電。這種充電器完全不須管理，它不會用電池監(jiān)測器或是定時器來停止充電，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，可將電池的充電時間縮短為4或5個小時。快速充電器通常是由定時器來控制，時間一到就停止充電，不須再使用其它的電池監(jiān)測器。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度充電；這樣若使用者不小心對一顆電力已滿的電池重新充電，也不會造成電池的損壞?？焖俪潆婋姵氐慕Y(jié)構(gòu)與正常電池有些不同，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會做的比較大，這樣才能吸收過度充電時所產(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，由它來監(jiān)測電池的狀態(tài)，同時規(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，除了控制充電過程之外，還負(fù)責(zé)提供其它三項功能：電池狀態(tài)的調(diào)節(jié)、充電開始之前的電池鑒定、以及確保充電過程符合所設(shè)定的安全條件。

電池狀態(tài)的調(diào)節(jié)
當(dāng)電池使用一段時間后，在反應(yīng)表面上會形成一些結(jié)晶，會妨礙充電的進(jìn)行，而其中某些結(jié)晶只有透過實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。若使用者對于電池的管理良好，避免過度充電的情形發(fā)生（在某些化學(xué)機(jī)制中還包括過度放電），那么相較于被濫用的電池，前者的二次反應(yīng)副產(chǎn)品累積速度就會比較慢，而且工作時的溫度也比較低，這不但能延長電池的周期壽命，還可將電池的高蓄電能力維持一段較長的時間。

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。鎳鎘電池會受到「記憶效應(yīng)」的影響，也就是當(dāng)電流通過鎳鎘電池內(nèi)部已充電的儲存區(qū)域時，就會改變這個區(qū)域結(jié)晶結(jié)構(gòu)的相位狀態(tài)。在這個新的相位狀態(tài)下，無論在儲存能量或是釋放能量的反應(yīng)過程中，都只能得到較低的電壓。

在對鎳鎘電池充電之前，若先將電力釋放出來，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)。對于鎳鎘電池來說，充電前的放電動作是一個很有用的充電前調(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。我們可以對電池進(jìn)行開路與短路測試：在開路測試的時候，在電池兩端加上一個電壓，然后調(diào)整這個電壓值，以得到最小的電池電流；在短路測試的時候，則會讓電池通過一個電流，然后調(diào)整這個電流的大小，以得到最小的電池電壓。一般說來，在進(jìn)行測試時所施加的電壓或電流都不會超過高速充電值的一半。

另一方面，制造商會指定一個充電溫度范圍，充電動作只能在這個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。只要廠商在電池組內(nèi)裝一個熱敏電阻，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)過度充電，就不應(yīng)再度充電；若一個電池已經(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，要排除短路或開路故障，更換電池是唯一的方法。若是溫度或電壓方面的問題，那么充電器可能會進(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。若電池的電壓過低，那么在電池的調(diào)節(jié)階段，充電器通常會采用穩(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，用來對電池做快速的充電；至于電池的電力是否已經(jīng)儲滿？高速充電階段又應(yīng)該于何時停止？這些都是由高速充電中止條件來選擇適當(dāng)?shù)呐袛嘁罁?jù)。對鎳氫電池來說，當(dāng)高速充電周期因為溫度或是電壓的限制而必須停止時，通常還會有5% ? 20%的電力尚未充滿，因此充電器會繼續(xù)使用一個充電速率較小的「充電完成」階段（高速充電速率的1/5?1/8），來將鎳氫電池的充電工作完成。一般說來，這個充電完成階段只會進(jìn)行一段固定的時間。接下來，則是由維護(hù)性充電階段或「浮動階段」（float phase）來彌補(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、以及電池制造商所提供的產(chǎn)品保證條款（請參考表2）。