電池與電源管理

由于無線手機的通話與待機時間越來越長，又能支持更多種類的復雜無線應用系統，因此整合式電源供給正迅速成為這類產品的一項重要需求。本文將討論電池、電池系統以及電源的轉換。

我們所要討論的第一個主題就是系統的心臟：電池。討論的內容則包括了電池的種類、電池的充放電以及系統的維護；我們將會討論電源需求、安全考量、成本、單位電池（cell）的數目、對環境的影響、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？

電池會透過化學物質或離子的交換反應，把能量儲存在所產生的電位場中。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，就可以讓這些反應還原，同時將能量儲存到電池內部，而不是從電池取出能量。電池管理就是管理一系列的化學反應。

電池為什么需要管理？

所謂「二次化學反應」是指發生在電池組件之間的化學反應，也就是儲存與釋放能量等一次反應之外的其它化學反應。二次反應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）的增加，還會產生一些固態、液態或是氣態的副產品，其中固態雜質會在電池的反應表面上結晶，并且遮住可用來儲存電荷的「反應位置」（reaction sites）。熱量會從液體或氣體電解質中蒸發出重量較輕的成份，如果氣體的產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部產生壓力，而未密封的電池則會造成「氣體外泄」的現象，并改變化學物質的組合成份。

如果我們對一顆已經處于滿電位的電池繼續施加能量，那么二次反應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，對于某些電池化學來說，過度放電也會造成同樣的效果。為了釋出內部的壓力，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），這是指在未供應電流給外部負載的情形下，電池自行「泄漏」儲存電力的速度。當電池完成充電后，我們仍須進行維護性或「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。

電池常常被串聯或是并聯在一起使用。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產生很大的影響。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、制造商、出廠時間、甚至是生產批號。甚至某些電池化學還是必須監測所有的電池。
　
單位電池、電池和電池組

電池的化學反應會產生一個固有電壓，這個電壓是電池化學反應的一項性質，它與電池的結構或是體積大小無關。如果一個組件能產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、并聯或是混聯在一起，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）。

應用系統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，其它的電池組則進行充電或維護。這類應用系統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，都能依序對各個電池組進行充電。
電池結構的專門術語

單位電池中有兩個反應表面，它們的化學成份并不相同，并且由一些不起化學反應也不導電的分隔層將它們固定隔開，在反應表面之間則會填滿一種電化學反應良好的材料，稱為電解質；在大多數商用電池中，電解質是一種液體或是膠質，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，低電位的材料為負接點。在電池case內部還有兩塊特別區域，彼此互不導電，主要是做為電池的正極與負極；其中正極會經由一條線路連接到單位電池內的正接點，負極則會連接到負接點。

由于絕大多數的電池都是圓柱形狀，因此廠商會在負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。另一方面，如果可以折疊這些分層覆蓋的材料，就可以做出更節省空間的方型電池。鉛酸電池就采用了方型的外殼，電池內部會加入電解液，然后將正極電板與負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做一個釋出壓力的安全結構，以便在過度充電情形極為嚴重時，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組件，這在鋰離子電池中最常見。
選擇充電電池的化學機制

要針對特定的應用來選擇電池化學，就必須讓電池化學與應用系統的特性能夠相互配合；在今天的商業應用中，常用的電池化學有五種。

表1：五種主要的電池化學
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

傳統上，消費性家電產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品，并且我們了解鎳鎘電池的化學反應。但在另一方面，鎘金屬的管理卻越來越嚴格，某些地區還要求對它做強制回收，再加上鎳鎘電池是一種成熟的產品，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的改進；鋰離子電池的表現則又進了一步，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機制有其優點，但缺點則是電路相當脆弱，其中又以鋰離子機制特別明顯，它不但會因為電池管理不良而損壞，而且電解質還可能著火，因此電池管理就相當的重要。廠商通常會在鋰離子電池組的內部裝上一些故障保護機制，以便在電壓／電流過大或是溫度過高的時候，將電池與負載以及／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部裝上另一組特殊電路，提供可重設的保護功能。但是，鎳氫或是鋰離子電池的電流供應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產品，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。對于低電流應用需求來說，它們不但是最便宜的充電化學機制，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，不但可供應很大的電流，而且是成本最低的電池反應化學機制。鉛酸電池能夠承受長時間的維護性充電電流，因此常?？稍趥鹘y的「浮動式」（floating）電源設備中發現它的蹤跡，例如不斷電系統或是緊急照明裝置。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。

對大型的商業應用，電池化學的下一步應是鋰聚合物反應，這是相當令人振奮的技術，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性質都和鋰離子化學相同。
　
充電與放電速率

充電與放電速率會對電池化學造成影響，這主要表現在電池的蓄電能力，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、電流和溫度設定一些保護條件，若用越快的速度充電，那么電池的狀態就會更快突破這些保護條件，導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用場合，高放電速率的應用系統（例如電源工具）就需要完全不同的補償因素，才能完全彌補這個現象。

由于電池的儲存能量以及供應能量分別是充電速率與放電速率的函數，因此可用「C」來代表這些速率，它是用操作電流大小（安培）除以總蓄電量（安培小時）所得的結果；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（它的充電化學反應是一種吸熱反應），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，那么隨著電解質電阻的降低，充電電流就會不斷增加，進而造成電池溫度繼續上升，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

穩定充電器（trickle charger）
最保守的充電解決方案只包含一個「穩定」（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「標準」充電速率（通常是C/10左右）繼續對電池充電。這種充電器完全不須管理，它不會用電池監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?？焖俪潆娖魍ǔＪ怯?a href="http://www.1cnz.cn/tags/定時器/" target="_blank">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測器。這種技術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。快速充電電池的結構與正常電池有些不同，它們的內部結構會做的比較大，這樣才能吸收過度充電時所產生的氣體。

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，由它來監測電池的狀態，同時規定很嚴格的「充電中止條件」。智能型充電器內部包含了相關的電路，除了控制充電過程之外，還負責提供其它三項功能：電池狀態的調節、充電開始之前的電池鑒定、以及確保充電過程符合所設定的安全條件。

電池狀態的調節
當電池使用一段時間后，在反應表面上會形成一些結晶，會妨礙充電的進行，而其中某些結晶只有透過實際接觸方式才能清除。但是，受到電機效應的影響，目前還沒有一種可靠的方法能用電氣方式除去這些結晶。若使用者對于電池的管理良好，避免過度充電的情形發生（在某些化學機制中還包括過度放電），那么相較于被濫用的電池，前者的二次反應副產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。

要讓鎳鎘電池擁有最大的蓄電量，有一種電氣操作方式相當管用。鎳鎘電池會受到「記憶效應」的影響，也就是當電流通過鎳鎘電池內部已充電的儲存區域時，就會改變這個區域結晶結構的相位狀態。在這個新的相位狀態下，無論在儲存能量或是釋放能量的反應過程中，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，就可讓充電區域的化學反應逆向進行，并將結晶結構恢復正常，因此能消除電池的記憶效應。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節步驟。

電池的鑒定

電池鑒定的目的是為了確定電池的狀態正常，可接受充電。我們可以對電池進行開路與短路測試：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，然后調整這個電流的大小，以得到最小的電池電壓。一般說來，在進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進行。只要廠商在電池組內裝一個熱敏電阻，那么在進行高速充電之前，就可先檢查這些溫度限制。此外，若電池已經過度充電，就不應再度充電；若一個電池已經釋放了大量的電力，并且不適合接受較高的充電速率，那么也不應該再進行高速充電。

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入「暫停充電」（charging pending）的狀態，等待相關條件回到電池所允許的范圍。若電池的電壓過低，那么在電池的調節階段，充電器通常會采用穩定充電的方式，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儲滿？高速充電階段又應該于何時停止？這些都是由高速充電中止條件來選擇適當的判斷依據。對鎳氫電池來說，當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行一段固定的時間。接下來，則是由維護性充電階段或「浮動階段」（float phase）來彌補電池的自放電率，讓電池能一直保持在充滿電力的狀態。

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、應用系統的特性、電池管理裝置所支持的選項、以及電池制造商所提供的產品保證條款（請參考表2）。