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智慧手機的基本觀念其一 – 電池及充電對手機來說,電池一直都是一個重要的配件。到了智慧型手機時代,手機耗電大幅提升,電池科技卻沒有跟上,如何善用電池及延長它的壽命,變成大家急欲尋求的解答。
有時候越是流行的東西,在網路上,反而會充斥太多似是而非的文章。專業人士忙著賺錢,也懶得去和一般人解釋。
推文回答推久了會有點煩,所以雖然我不是EE背景,就讓我這個在手機廠打工的工程師班門弄斧一下吧。
一、原理:
太深的東西這邊就不提了,但是還是來輕描淡寫一下。
首先,在2012年的現在,基本上所有的手機所使用的都是鋰離子電池,其中絕大多數使用鋰聚合物。(一般我們說鋰電其實並不精確,因為嚴格來說鋰電是指一次性的鋰電池,不過…就算了吧)
其原理,簡而言之,就是靠鋰離子在正負極之間的移動來工作。放電時,鋰離子離開負極,進入正極,產生電流。充電時,由於我們從外部加上的電流,強制鋰離子反向移動,從正極移到負極,還原成可以再度放電的狀態。
二、電壓:
和一般人直觀的想法可能稍有不同,和插頭或電源供應器不一樣,基本上只要是電池,其電壓並不會是固定的,它必定隨著不斷放電,而造成從最高電壓慢慢的降低,直到無法再提供足夠的電壓和電流。
手機用的鋰離子電池,其工作範定義為3.2V~4.2V。基本上不管電池上標示3.7V,4.2V,實際上手機電池在真實電壓上並沒有什麼太大的區別。下次看到同廠牌,無論標示 3.7V 或 4.2V,只要容量相差不遠,接頭相同,事實上應該都是可交換的。
如果標示4.2V,意味是標示鋰離子電池的最高電壓。如果標示3.7V,則代表它標示的是所謂的名義(Nominal)電壓。大多數充電電池標示的電壓都是所謂名義電壓,例如說AA鎳氫電池的1.2,汽車鉛酸電池的12V,還有鋰離子電池的3.7V。這個名義電壓主要的用途是用來計算電力的,對於放電曲線是接近線性的充電電池來說,這是它的中點電壓。
3.7V大約剛好是是3.2V和4.2V的中點。所以同理,AA鎳氫工作電壓約為1.0V-1.4V,汽車鉛酸電池約為10V-14V。
(真實的情形其實和上述簡化的說法略有不同,因為放電曲線通常都不是真的線性,以鋰離子電池而言,3.7V 應為其充飽後放到,一直到電池 cut-off voltage 約 2.75V 的「平均電壓」。)
鋰離子電池是絕對禁止過充和過放的,一旦充電超過4.2V,會使得電池產生不可逆的結晶體,減少其壽命和電量。其狀況嚴重者,也就是平常看到電池脹大的狀況。此時,最好是停止使用此顆電池,因為結晶若刺穿電池的薄膜,會有短路、燒毀、甚至爆炸的危險性存在。
而放電到低於2.75V的時候,同樣會對電池造成不可恢復的損害,大幅降低電池的可用電量及壽命。
三、電量:
電池的電量大多是以mAh或Wh來標示的。顧名思義就是mA(毫安培)xh(小時)或Watt(瓦特)xh(小時)。
這個容量怎麼計算的呢?其實就是電流和時間的積分。
如果一顆鋰離子電池,以50mA放電可以使用30個小時,那麼這個電池的電量為50mA x 30h = 1500mAh,換算成Wh就是1.5Ah*3.7V(Nominal Votage) = 5.55Wh。(1A = 1000mA)
過去在feature phone的時代,多半以電池目前的電壓,加上放電曲線,來推估電池剩餘的百分比。不過這有一個問題就是,因為電壓根據溫度還有目前充/放電的情形不同,上下跳動的程度非常大,所以也就非常地不準。
再者,電池有老化的問題,電量是會隨時間遞減的。所以現代的手機會在電池上(ex. HTC)或手機上(ex. Sony Ericsson),放置一顆Gauge IC(流量統計及充電控制IC)。當你充電或放電時,這顆IC會統計流經的電流量,以便提供更精確穩定的電量數據。
四、壽命:
通常以充放次數(cycle)來計算。
一般而言,如果一顆電池宣稱它有500次充放的壽命,代表它經過500個"cycle"之後,還能儲存到原本一半以上的電量。
所謂的cycle,並不是說你拿去充電一次就算一次,而是以完全充放一次來計算。以手機為例,就是從4.2V,用到3.2V,然後再充到4.2V,這樣算是一次(1 cycle)。
也就是說,如果你今天用到50%,再拿回去充到100%,只進行了一半的循環,那這樣並不算一次,而只是0.5個cycle。
鋰離子電池電敢號稱自己無記憶效應,只要不要過充和過放,長充長放和短充短放,對壽命的影響差異甚微。
五、充電:
有別於鉛酸及鎳氫都會提高至16V/1.6V,超過其工作電壓的高壓來提高充電速度,由於鋰離子電池是不可過充的,所以一般都是固定用4.2V去供電。
至於充電的來源,現在主流都是USB充電,所以可以用電腦的USB搭配傳輸線,或用AC(插座)轉USB的旅充來充電。外部的5V直流,經過充電電路降壓至4.2V後,再對電池充電。
很多人搞不懂充電電流的意義,基本上充電電流要分成三個部份來看。
1. 來源的電流:如果用電腦USB充電,其電流限制為500mA,這是USB的規範。如果是AC轉5V,通常看到的種類有500mA, 1000mA, 1500mA, 2000mA幾種。
2. 充電電路的限流:傳統上鋰離子安全的充電電流為1C。也就是說,如果1500mAh的電池,安全充電電流上限為1.5A。因此,不能有多少就吃多少,必須在供電電路上限流。以小型的feature phone,電池約在700-900mAh,通常限流為500mA。目前主流的smart phone,其容量為1200mAh至1900mAh,廠商一般將手機端限流定在1A。而平板電腦,例如說iPad等,其電池至少為3000~4000mAh起跳,所以一般限流為1.5或2A。
3. 壓差:固定4.2V的充電方式,自然而然產生了「先快後慢」的充電效果。充電端加上4.2V,0%時4.2V和3.2V壓差很大,電流自然就可以很大。等充了到一定成數之後,電壓差越來越少,電流自然就會往下慢慢掉。最後等到電壓電壓達到4.2V,無電位差的情形自然充電電流就成為0,電池也就充飽了。
六、充電器和充電線的選擇:
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一般來說,除非不得已,是不太建議邊充邊用的,一般來說,一邊大電流充電,一邊重度使用(例如玩3D遊戲)將會造成手機急速發熱,影響手機和電池的壽命是一則。很多手機電池超過45~50度時,會自動停止充電來保護電池!
在不會造成手機發熱的情形下輕度使用,倒是無妨,只是這段時間會充得比較慢。
特別要注意的一點!!:手機和平板,為了怕從來源,如電腦,抽取過量的電流,所以必須是它能辨識的充電器,才會開放1A甚至2A的供電。否則,一般都是固定在500mA最安全的電流量。通常是將USB的D+D-短路(HTC),或加上一定的阻抗使其在特殊的電壓值(Apple)。故除了選擇品質穩定,電流充足的充電器以外,務必注意手機是否能正確辨識此充電器,否則可能會空有1A或2A的標示規格,你卻只用得到500mA。
還有一個可能大家都有經驗的東西,就是有時候插上插頭,手機的螢幕就變得很難操作。這是因為電容觸控螢幕對微小的電流雜訊非常敏感,但因為你的旅充供應的電流雜訊過大,就會造成觸控的反應整個亂掉。基本上是不需要擔心因為這個問題影響手機的壽命,但是的確很討厭。解決之道還是使用穩定的充電器,不過有些手機若設計不良,電源的電磁幅射隔離不佳,也有可能連原廠充電器也會發生這樣的問題,只是程度差別,那就沒辦法了。
七、FAQ:
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