電池與電源管理

堿性充電電池的形狀與一次電池相同，主要目的也是用來(lái)取代這些可棄的電池;雖然售價(jià)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(duì)于低電流應(yīng)用需求來(lái)說(shuō)，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(diǎn)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(lèi)電池大約可使用25次。

汽車(chē)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(zhǎng)時(shí)間的維護(hù)性充電電流，因此常?？稍趥鹘y(tǒng)的「浮動(dòng)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(diǎn)最主要的是單位重量或是單位體積的電能儲(chǔ)存密度最低。

對(duì)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?yàn)樗岆姵刈兂闪艘粡埡苡袕椥缘木酆衔锉∑?，夾在陰極與陽(yáng)極材料之間。這項(xiàng)特色開(kāi)啟了一道應(yīng)用大門(mén)，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(lái)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(huì)對(duì)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(shí)」來(lái)代表電池的蓄電能力(鋰離子電池則大都使用「瓦特小時(shí)」，這是因?yàn)殇囯x子單位電池的電壓較高，使得電能儲(chǔ)存量的重要性超過(guò)了電流儲(chǔ)存量。)

電池在充電時(shí)，總是會(huì)針對(duì)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(huì)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(huì)超過(guò)蓄電量減少的速率，導(dǎo)致電池的實(shí)際工作時(shí)間比額訂的放電時(shí)間還短。因此，相較于放電速率較慢的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)現(xiàn)象。

由于電池的儲(chǔ)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(lái)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(shí))所得的結(jié)果;舉例來(lái)說(shuō)，若放電速率為1C，就表示一個(gè)小時(shí)就能把電池的電力用盡。充電所須的時(shí)間會(huì)比原來(lái)的C速率還要長(zhǎng)，因?yàn)殡姵氐某潆娦什豢赡苓_(dá)到百分之一百，而是會(huì)隨著電池種類(lèi)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(huì)減少的更多。一般說(shuō)來(lái)，電池的自放電率會(huì)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(shí)，溫度都會(huì)上升;若采用過(guò)度充電的方式，那么溫度上升的速度還會(huì)加快。在鎳鎘電池當(dāng)中，通常會(huì)使用DT/Dt來(lái)做為快速充電的中止條件，它代表溫度相對(duì)于時(shí)間的變化速率。由于電池溫度上升的時(shí)候，電解質(zhì)的電阻就會(huì)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(huì)不斷增加，進(jìn)而造成電池溫度繼續(xù)上升，并形成一個(gè)危險(xiǎn)的正回授路徑，這種情形稱(chēng)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(gè)「穩(wěn)定」(trickle)充電階段，只要電池與充電器連接在一起，它就會(huì)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(duì)電池充電。這種充電器完全不須管理，它不會(huì)用電池監(jiān)測(cè)器或是定時(shí)器來(lái)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(shí)間縮短為4或5個(gè)小時(shí)。快速充電器通常是由定時(shí)器來(lái)控制，時(shí)間一到就停止充電，不須再使用其它的電池監(jiān)測(cè)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(guò)度充電;這樣若使用者不小心對(duì)一顆電力已滿的電池重新充電，也不會(huì)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(huì)做的比較大，這樣才能吸收過(guò)度充電時(shí)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(guò)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(lái)監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)，同時(shí)規(guī)定很?chē)?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(guò)程之外，還負(fù)責(zé)提供其它三項(xiàng)功能：電池狀態(tài)的調(diào)節(jié)、充電開(kāi)始之前的電池鑒定、以及確保充電過(guò)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(shí)間后，在反應(yīng)表面上會(huì)形成一些結(jié)晶，會(huì)妨礙充電的進(jìn)行，而其中某些結(jié)晶只有透過(guò)實(shí)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(méi)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(duì)于電池的管理良好，避免過(guò)度充電的情形發(fā)生(在某些化學(xué)機(jī)制中還包括過(guò)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(huì)比較慢，而且工作時(shí)的溫度也比較低，這不但能延長(zhǎng)電池的周期壽命，還可將電池的高蓄電能力維持一段較長(zhǎng)的時(shí)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(huì)受到「記憶效應(yīng)」的影響，也就是當(dāng)電流通過(guò)鎳鎘電池內(nèi)部已充電的儲(chǔ)存區(qū)域時(shí)，就會(huì)改變這個(gè)區(qū)域結(jié)晶結(jié)構(gòu)的相位狀態(tài)。在這個(gè)新的相位狀態(tài)下，無(wú)論在儲(chǔ)存能量或是釋放能量的反應(yīng)過(guò)程中，都只能得到較低的電壓。

在對(duì)鎳鎘電池充電之前，若先將電力釋放出來(lái)，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(duì)于鎳鎘電池來(lái)說(shuō)，充電前的放電動(dòng)作是一個(gè)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(duì)電池進(jìn)行開(kāi)路與短路測(cè)試：在開(kāi)路測(cè)試的時(shí)候，在電池兩端加上一個(gè)電壓，然后調(diào)整這個(gè)電壓值，以得到最小的電池電流;在短路測(cè)試的時(shí)候，則會(huì)讓電池通過(guò)一個(gè)電流，然后調(diào)整這個(gè)電流的大小，以得到最小的電池電壓。一般說(shuō)來(lái)，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)所施加的電壓或電流都不會(huì)超過(guò)高速充電值的一半。