電池容量有多少？四大常用電池容量實測

各位家里的遙控器、無線鼠標一定都需要電池，你是否覺得常常在換電池呢？

那你知道這些干電池的容量是多少呢？電池容量越多撐得越久，目前我看除了充電電池有標示容量外，其余電池幾乎都沒有標示，我們這次就來實測一下電池容量，我準備了碳鋅電池、堿性電池、充電電池以及汽車備用電池，一起來看看吧。

電池的容量

大家也許知道電池的容量是電流乘以小時，若不熟悉的話，你把電流想象成水流，水庫容量就是水流可以流多久時間的意思，這樣就很好理解了。有些電池會標示如下圖的容量，以這顆充電電池來說，它的容量是 2450 mAh，但目前坊間似乎只有充電電池有標容量，一般的干電池并沒有標示容量。

電池容量單位是 mAh

那各位來猜猜看，這個 2450 mAh 的數(shù)字是怎么測量到的？是把電阻直接掛在電池上面，然后等著電池沒電嗎？概念上是如此沒錯，但如果真的以下圖這樣的定電阻接法，在實務(wù)上會有些問題，我先說喔，掛電阻不是不能測試容量，只是有點麻煩。

定電阻的負載不適合做放電曲線

因為在實務(wù)上，隨著電流不斷消耗，電池的電壓會慢慢地下降，電壓可能從 6 V 下降到 4 V，在電阻固定的情況之下，電流也會同時變小，也就是說在放電過程中，每個時間點的電流都是不一樣的，這樣會讓電池的容量計算很困難，真的要計算容量的話，會需要動用到積分，而且以實驗設(shè)計的角度來看，一個實驗內(nèi)同時有電壓與電流兩個變因在變化，對于實驗結(jié)果的理解不是很方便。

為了讓閱讀圖表的人能夠快速掌握電池的放電特性，我們一般會用定電流的方式來做測試，但電池的電壓在放電過程中會下降耶！那怎么辦？難道電流變小的時候，在實驗中途去更換更小的電阻來把電流往上拉嗎？沒錯，思考方向正確，只不過沒那么粗糙。

如下圖，只要使用 MOS 來取代電阻，我們就可以使用 Gate 極的電壓來做電流的控制，至于 G 極該怎么控制，那就是你自動控制的功夫了，這種電路就稱為「電子負載」。既然它的電流可以動態(tài)調(diào)整，換個角度說，它的電阻、電壓也可以動態(tài)調(diào)整，因此排列組合起來，電子負載就會有好幾種模式，例如 Constant Current（CC）、Constant Resistance（CR）、Constant Power（CP）以及Constant Voltage（CV）。

電子負載的等效電路

電子負載

下面是一臺電子負載 PRODIGIT 3111，它可以抽載 70 A，瓦數(shù)可以到 350 W，下圖就是我拿它來測試鉛酸電池時候的英姿。雖然拿它來測試干電池的容量有點大材小用，不過只要能完成測試，拿哪一種儀器來都可以。

電子負載正測試

由于這種測試通常會需要長時間測試，動不動就十幾個小時，我當然不可能站在儀器前面每分鐘紀錄讀值，所以我必須把儀器跟計算機做連接，寫程序去跟儀器連接，把讀值抓出來。

通常儀器背后都有通訊 Port，例如 RS232、USB 或是 GPIB，如果是要抓波形拚速度的話，USB 是不錯的選擇，但是我這臺只需要每分鐘讀一次，所以我選 RS232 這種簡單又方便的接口，只要買個 USB-RS232 的傳輸線，就可以搞定。

電子負載的 RS232 遠程控制接口

計算機端的程序我是用 Python 寫的，因為它簡單好用外掛又多，我不需要再重新做輪子，程序行在下方給各位參考，大意就是把 RS232 COM Port 打開，然后開始讀值的循環(huán)，并且把抓到的值寫入 TXT 檔內(nèi)，之后就可以用電子表格作圖。

import serial

import time

ser =serial.Serial('COM3',115200,timeout=1) #open serial port

print(ser.name,"is opened=",ser.isOpen()) # check port status

n=ser.write(b'*IDN?rn') # write a string

line = ser.readline()

print(line.decode("utf-8"))

#PRODIGIT 3111 command set

ser.write(b'MODE CCrn')

ser.write(b'CC:HIGH 0.1rn')

ser.write(b'LOAD ONrn')

# ser.write(b'REMOTErn')

# ser.write(b'MODE CCrn')

# ser.write(b'CC:HIGH 1rn')

# ser.write(b'BATT:UVP 10.5rn')

# ser.write(b'BATT:TEST ONrn')

# ser.write(b'TESTING?rn')

# tresult = ser.readline()

# tresult=tresult.decode("utf-8")

#strout="Testing="+tresult+"n"

# print(strout)

time.sleep(3)

loop = True

count=1

strout=""

while loop :

ser.write(b'MEAS:VOLT?rn')

Vrms=ser.readline()

Vrms=Vrms[:-3].decode("utf-8")

ser.write(b'MEAS:CURR?rn')

Irms=ser.readline()

Irms=Irms[:-3].decode("utf-8")

ser.write(b'MEAS:POW?rn')

Watt=ser.readline()

Watt=Watt[:-3].decode("utf-8")

minute=count/60

str_minute="{:.2f}".format(minute)

strout=str_minute+","+Vrms+","+Irms+","+Watt+"n"

print(strout)

f= open("meas.txt", "a")

f.write(strout)

f.close()

count+=1

time.sleep(1)

ser.close() # close port

我知道這個程序有個小Bug，也就是程序代碼自己無法關(guān)掉COM port，因為它在Loop循環(huán)之外，除非自己將程序中斷掉，但由于只是做小測試，所以我就偷懶不改了。

電池的容量是多少?

接著就來開始測試電池的容量 ，我預(yù)計使用三種AA的三號電池。因為每測試一次都要花上十幾小時，所以我只測試一組樣本，無法得知母體平均值，如此一來實驗結(jié)果一定會有偏差，因此實驗結(jié)果只能給各位當參考看熱鬧。另外我曾經(jīng)自己更換過汽車備用電源里面的免保養(yǎng)鉛酸電池汽車備用電池-忘記充電造成失效-更換電池DIY，所以我也想知道它的電池容量是多少。

下列的測試我會把電池串四顆來測試，因為這臺電子負載的工作電壓需要在1.2V以上，如果我拿單顆電池來測試，那只能從1.5V測試到1.2V然后放電曲線可能就會開始亂跳了，為了讓放電曲線好看一點，我就將四顆電池串接，這樣電壓就會到6V，而且由于我是以定電流來測試，測試四顆與測試一顆電池的容量，會是一樣的。

碳鋅電池

下圖是一般常買得到的碳鋅電池，打從我有記憶以來電池都是長這個樣子，這種電池就是便宜好用，不怕漏液。我的意思是它還是會漏液，只是清理起來比較好處理，不像堿性電池漏液時會有腐蝕性，處理起來很花功夫。

測試碳鋅電池的容量

經(jīng)過十幾小時的測試，它的放電曲線長得如下圖這個樣子，由于是四顆串接，一開始電壓大約是 6 V 多一點，然后馬上快速降到 5.5 V，接著在 5 V 左右維持一段時間，最后電壓開始下降而且越來越快。

碳鋅電池的放電曲線

你一定有看到曲線右邊翹了一個尾巴，那是因為我在測試末期故意把負載卸掉，想看看電壓如何表現(xiàn)，于是就看到了電壓有回升的趨勢，所以要測試電池是否有電，如果沒接負載，想單靠三用電表測量電壓，這樣的判斷并不是很準確，因為電池空載的時候，電壓會回升。

這個其實可以人性化的解釋，我來舉個例子，你在操場上跑十圈之后累得半死，于是你慢慢走回家，但隔壁有位老兄剛好出來散步，他也是慢慢走，你們兩位都是慢慢走，但是誰得體力保存得多呢？當然是那位還沒跑步的老兄啰，所以光看走路速度無法判斷誰得體力較多。

接著你稍做休息一分鐘之后，走路已經(jīng)健步如飛了，但真的要你再去跑一圈操場，只有一圈喔，可能只有前幾步跑很快，后面的步伐就慢下來了，因為你的體力早就耗光了，這跟電池空載時的電壓變化，幾乎是一樣的行為。

我們來算一下碳鋅電池的容量吧，每顆電池表訂 1.5 V，我自行定義 1 V 叫做沒電，四顆串接就是要以 4 V 為界線，根據(jù)上圖的曲線，在 100 mA 的電流之下，電池大約可以撐 8.37 小時，所以它的容量計算如下：

100 mA×8.37 hr=837 mAh

也就是說如果你的遙控器每按一個鈕需要花1 mA 電流的話，理論上你可以持續(xù)按住 837 小時它才會沒電，事實上按鈕也只是一秒鐘的事情，所以這種電池在遙控器上可以用很久。

堿性電池

接著來測試堿性電池的容量，據(jù)廣告說堿性電池很耐用，我實際來測試看看容量是多少。

使用堿性電池有一點要注意的地方就是，不要長時間使用，因為用久了它一樣會漏液，而且它是使用強堿溶液作為電解質(zhì)，例如 KOH 氫氧化鉀或 NaOH 氫氧化鈉，一旦漏液清理起來很麻煩，手會有刺刺的感覺，還會腐蝕電路板，所以要拿它的好處之余，自己也要付出一點關(guān)心，不然遙控器很快就掛了。

測試堿性電池的容量

經(jīng)過二十多小時的測試，終于得到下面的放電曲線，若一樣以 4 V 為界線的話，它整整放電大約 20 小時啊，中間還有一段很平緩的區(qū)間，真的又穩(wěn)又久，果然很帶勁，到了測試尾聲大約第 24 小時的時候，電壓突然陡降，基本上就跟小孩瞬間秒睡的狀況是一樣的。

堿性電池的放電曲線

所以堿性電池的容量計算如下：

100 mA×21 hr=2100 mAh

我查了維基百科的堿性電池容量，它是寫 2700 mAh，不過廠牌不同我們只能參考，大約就是 2000 mAh以上。

各位一定有發(fā)現(xiàn)到了第 25 小時曲線尾巴有點須須，這是因為電壓已經(jīng)掉到低于 1.2 V，這是儀器的極限了，低于這個電壓儀器不保證可以抽到 100 mA 的電流，所以電壓有點高高低低的，實務(wù)上低于儀器的操作電壓，我們是不予參考的，這邊只是列出來給各位看好玩的。

充電電池

接著我們來看看坊間的充電電池，它們這個族群是目前唯一有標示容量的電池，敢標示就要勇于接受測試，我是真的滿好奇的。

測試充電電池的容量

這一次測試的時間超長，整整經(jīng)過了24小時啊，但由于充電電池很貴，所以我沒有讓它放到干，不然一次噴掉四顆電池很心痛啊。這個曲線超級平坦的，比堿性電池要穩(wěn)要久，難怪要這么貴，不過看在可以重復(fù)使用的份上，也算值得。

充電電池的放電曲線

馬上來計算充電電池的容量如下：

100 mA×24 hr=2400 mAh

各位可以把畫面往回卷動，看看最開始的充電電池標示容量，它是標示 2450 mAh，幾乎和計算的電池容量一樣呢！這真是太厲害了，果然敢標就是有料。不過我得要跟各位說明，電池的容量會隨著電流變大而縮小，所以我如果把電流設(shè)定為 1000 mAh，它的放電時間就不會是單純的 2.4 hr，也許會只有 1 hr，這個是電池天生的特性；相反的，我如果把電流變小，改為 50 mA 來測試，那么我可能就會得到超過 2450 mAh的容量。

汽車備用電池

最后來看看我之前更換的免保養(yǎng)鉛酸電池，來測試看看它的容量是多少，這個一顆是 12 V，所以不用串接了，直接測試就好，至于放電電流我就設(shè)定為 1 A，畢竟是要給汽車發(fā)動使用的，設(shè)定個 1 A 并不為過，而且可能還嫌小了，因為汽車引擎發(fā)動瞬間，以我的老爺車為例，啟動馬達瞬間大約會抽掉 220 A的電流，只要能在那個瞬間支應(yīng)幾百安培的電流就達到救援的功能了。

新買的鉛酸電池

畢竟這顆電池還在我的車上服役中，為了保護這顆電池，我需要修改一下程序，各位可以看到剛才的程序代碼內(nèi)有已經(jīng)用井號 mark 起來的「BATT:UVP 10.5」，這個意思就是電壓低于 10.5 V 會自動停止測試，以免把電池搞壞，據(jù)讀者說這顆電池已經(jīng)停產(chǎn)了，萬一壞了我就得買新的了。

經(jīng)過 12 小時的測試，我發(fā)現(xiàn)它的放電曲線有點怪怪的，竟然中間有個轉(zhuǎn)折，仔細一看原來是剛才設(shè)定的保護措施生效了，當電池放電過程中電壓低于10.5 V 時，電子負載會自動把負載卸掉，負載一旦消失，就跟剛才我提過的跑操場例子一樣，電池卸除后電壓會迅速恢復(fù)，但它其實是沒電的，所以放電中途才會有電壓回升產(chǎn)生轉(zhuǎn)折的狀況。

汽車備用電池的放電曲線

接著來計算電池的容量：

1A×4hr=4AH

這個算出來的容量明顯和標示的 9 AH 不符合，但我并不擔心，因為我并不知道它那個 9 AH 是用多少電流測試來的，我相信只要我把放電電流改為 500 mA，它的放電時數(shù)就會增加，而且容量也會增加，畢竟這顆電池是要拿來給汽車的啟動馬達運轉(zhuǎn)用的，重點的放電時間只有 2 sec，能撐得過它就發(fā)揮功能了。

小時率

一般汽車、摩托車的鉛酸電池都會標示容量，至于它是放電放多久而得到這個容量，這個放電時間就稱為小時率。我在廠商的官網(wǎng)上面看到的資料是說汽車電池是以 5 小時率來標示容量，摩托車是以 10 小時率來標示容量，在這里列出給各位參考。

電池容量需要和小時率一起看

定電阻放電

前面所有的文章都是講定電流放電，但是實際在使用的時候，很多機會是類似定電阻的狀況。如果用定電阻來做放電測試，會看到甚么結(jié)果呢，我們就實際來做一次。

下圖的曲線是用一顆三號電池，接上 4 ohm 負載所得到的曲線，紅線是堿性電池，藍色是碳鋅電池，上方是電壓 V，下方是電流 mA，由于是定電阻，所以兩張圖的線形長得完全一樣。

定電阻模式的放電曲線

各位會發(fā)現(xiàn)定電阻模式之下的堿性電池，放電曲線較為和緩，比前述的定電流模式和緩多了，曲線看起來比較圓滑，而碳鋅電池也是一樣的情況，原本在定電流模式就已經(jīng)比較圓滑的放電曲線，在定電阻模式之下，又變得更圓滑了，幾乎是一條往下的直線。

造成這個圓滑現(xiàn)象的原因是，電池在放電過程中，電壓會下降，由于負載是定電阻，根據(jù) V=IR 因此電流也跟著下降，既然電流越來越小，電壓當然也就降得沒那么快了，因此放電曲線顯得較圓滑。

由于放電過程中電流會隨時間變動，也就是越變越小，所以當你要計算容量的時候，會需要動用到積分，那真是很復(fù)雜啊，最方便的方式就是，用定電流測量容量，我們只需要單純的將電流乘以時間就能得到答案。