電池與數(shù)字負(fù)載

隨著通訊器件從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向數(shù)字信號(hào)，對(duì)電池也提出了新的要求。同模擬收發(fā)機(jī)采用穩(wěn)定的電流不同，數(shù)字收發(fā)機(jī)要求電池承受短促的尖峰電流；對(duì)于具有雙向電波信號(hào)功能的通訊設(shè)備來(lái)說(shuō)，要求電池內(nèi)阻低；過(guò)冷或過(guò)熱對(duì)于電池的工作性能也有較大影響。

1.內(nèi)部連線、接觸以及保護(hù)電路都需要考慮；性能和電池的容量、荷電狀態(tài)以及串聯(lián)連接的電池?cái)?shù)有關(guān)
2.自放電在最初的24小時(shí)最高，然后逐漸下降，并且隨著電池的使用時(shí)間和工作溫度的增加而增加
3.循環(huán)壽命基于放電深度，較淺的放電深度比深度放電具有較高的循環(huán)使用壽命
4.循環(huán)壽命基于維護(hù)過(guò)程，如果沒(méi)有周期性的放電那么電池的循環(huán)壽命可能會(huì)下降1/3盡管鎳氫和鋰離子電池在蜂窩電話和筆記本電腦中具有最好的性能，但是鎳氫電池在雙向電波信號(hào)應(yīng)用中的性能卻沒(méi)有得到體現(xiàn)，預(yù)期使用壽命下降。

圖 1  NiCd, NiMH 和 Li-ion電池能量密度、內(nèi)阻、自放電和循環(huán)使用壽命特性

適合數(shù)字式雙向電波應(yīng)用的電池
當(dāng)今電池的研究主要集中在鋰離子電池系統(tǒng)，在圖1中，對(duì)鎳鎘、鎳氫鋰離子電池的能量密度和內(nèi)阻的關(guān)系進(jìn)行了比較。為了達(dá)到鎳基電池的預(yù)期壽命，要求對(duì)其進(jìn)行周期性放電以進(jìn)行維護(hù)。
鎳鎘電池和鎳氫電池為了避免記憶性，需要周期性的進(jìn)行放電維護(hù)。而且對(duì)于NiCd電池使用記憶性很可能不恰當(dāng)，因?yàn)楝F(xiàn)在這種電池基本都避免了這種現(xiàn)象。
鋰離子電池屬于低維護(hù)型，具有其它電池所不具有的很多優(yōu)良性能。不需預(yù)定的過(guò)程來(lái)延長(zhǎng)電池的使用壽命，和相同容量的電池比起來(lái)，鋰離子電池的質(zhì)量較輕而存儲(chǔ)的能量最大。其缺點(diǎn)是易碎，需要一個(gè)保護(hù)電路，充放電電流較小，而且成本也較高，其使用壽命為兩三年。一般來(lái)說(shuō)，保持電池在中等溫度下可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。目前電池廠家都正在提高電池的壽命，安全問(wèn)題以期未來(lái)得到解決。
  數(shù)字收發(fā)機(jī)所需的總體能量比模擬收發(fā)機(jī)所需的低，但是數(shù)字收發(fā)機(jī)設(shè)備使用的電池需要承受較高的峰值電流，通常為電池額定值很多倍。對(duì)于由1000mAh電池供電的數(shù)字收發(fā)機(jī)來(lái)說(shuō)，峰值電流可達(dá)3A，要求電池提供高達(dá)3C的放電率。對(duì)于內(nèi)阻低的電池來(lái)說(shuō)，3C的放電率完全可以接受的，然而由于電池內(nèi)阻隨使用時(shí)間而增加,所以電池在使用一段時(shí)間后很可能就會(huì)有問(wèn)題。通過(guò)使用較大容量的電池可以改善電池的性能，即使用電池組。通過(guò)電池的并聯(lián)可得到較大容量的電池，如2000mAh的電池和標(biāo)準(zhǔn)的1000mAh電池比起來(lái)，容量幾乎增加一倍，就C率而言，3C的放電率降低到1.5C。

圖2  鎳鎘電池在GSM負(fù)載程序下，以1C、2C、3C放電和通話時(shí)間關(guān)系曲線。測(cè)試電池的容量為113％額定容量，內(nèi)阻為155mW

圖3  鎳氫電池在GSM負(fù)載程序下，以1C、2C、3C放電和通話時(shí)間關(guān)系曲線。測(cè)試電池的容量為103％額定容量，內(nèi)阻為778mW

圖4  Li-ion電池在GSM負(fù)載程序下，以1C、2C、3C放電和通話時(shí)間關(guān)系曲線。測(cè)試電池的容量為94％額定容量，內(nèi)阻為320mW

測(cè)試狀態(tài)好的電池不能在數(shù)字設(shè)備中工作的原因
為了找到最適合通訊器件使用的電池系統(tǒng)，Cadex Electronics對(duì)鎳鎘、鎳氫和鋰離子以不同放電率進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)于使用了一段時(shí)間的電池來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)電池分析儀分析可知電池的容量狀態(tài)良好，其中電池分析儀相當(dāng)于中等狀況的負(fù)載。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行較高的放電率放電時(shí)，或者把電池安裝到數(shù)字收發(fā)機(jī)中使用時(shí)，發(fā)現(xiàn)電池的性能大大下降。其原因就是電池的內(nèi)阻較高，對(duì)性能表現(xiàn)正常的電池進(jìn)行測(cè)量可得鎳鎘電池的內(nèi)阻為155 mW，鎳氫電池較高為778 mW，鋰離子電池居中為320 mW；且相應(yīng)電池的容量分別為額定容量的113%,、107% 和 94%。
從圖2、圖、3圖4可以看出，通話時(shí)間和電池的內(nèi)阻直接相關(guān)。在相同的條件下，鎳鎘電池以3C放電時(shí)的性能最好，通話時(shí)間可達(dá)120分鐘；而鎳氫電池僅在1C的情況下表現(xiàn)良好，當(dāng)放電率達(dá)到3C時(shí)電池將被損壞；而鋰離子電池以3C放電時(shí)的通話時(shí)間僅為50分鐘。盡管這些電池的測(cè)試是在GSM系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的，但是對(duì)于各種新型的數(shù)字信號(hào)通訊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，測(cè)試結(jié)果基本一致。 

電池性能的測(cè)量
對(duì)電池進(jìn)行完全放電來(lái)測(cè)量電池的性能是可靠的，但整個(gè)測(cè)量過(guò)程較慢。另外，在數(shù)字信號(hào)設(shè)備中，使用穩(wěn)定的電流來(lái)對(duì)電池進(jìn)行放電并不能充分獲得電池的性能。在過(guò)去幾年，開發(fā)出各種各樣的測(cè)試儀器來(lái)測(cè)量電池內(nèi)阻。盡管這種方法很快，但是內(nèi)阻判斷法所得的結(jié)果往往和電池的容量值矛盾，因此預(yù)測(cè)電池的性能也就變得不可靠，
  Cadex Electronics研發(fā)出QuickTest方法來(lái)測(cè)量電池的SoH。對(duì)于雙向電波設(shè)備、蜂窩電話、筆記本、掃描儀、醫(yī)療設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)等所用的電池，僅需3分鐘既可獲得電池性能。QuickTest采用了一種獨(dú)特的推斷算法從大量的變量中獲得所需的電池性能數(shù)據(jù)，可以評(píng)價(jià)電池的容量、內(nèi)阻、自放電、充電接收率、放電能力以及電解液的遷移能力，然后把這些變量結(jié)合得出一個(gè)量稱為SoH。QuickTest軟件嵌入在Cadex C7200 和C7400電池分析儀中，可以分析鎳基、鋰基和鉛基電池。用戶可對(duì)分析儀編程，實(shí)現(xiàn)初始化、反復(fù)的快速充電，壽命測(cè)試以及泵升功能。
QuickTest充分利用了分析儀的自學(xué)習(xí)過(guò)程來(lái)獲得電池特殊矩陣，并且這種自學(xué)習(xí)過(guò)程具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。電池的特殊矩陣存儲(chǔ)在虛擬的電池中，并自動(dòng)配置參數(shù)來(lái)調(diào)整電池設(shè)置。電池適配器在購(gòu)買時(shí)通常包括QuickTest矩陣，如果初始矩陣被改變了，那么使用者通過(guò)掃描一種良好的電池即可得到QuickTest矩陣，同時(shí)代碼可以復(fù)制到其他的電池適配器，可以擦除以及重新輸入。QuickTest要求的荷電水平通常為20~90％，如果超出這個(gè)范圍，分析儀將自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行充電或者放電。

結(jié)語(yǔ)
手持通訊設(shè)備和電池密切相關(guān)，但是直到現(xiàn)在，電池在使用過(guò)程中的性能變化仍然很大，尤其是電池組在使用一段時(shí)間后變得更為嚴(yán)重。但在目前的應(yīng)用中，仍然沒(méi)有找到一種可替代的技術(shù)來(lái)代替這種變化復(fù)雜的電化學(xué)電池。
盡管電池的性能在不斷地提高，但是最為關(guān)鍵的仍然是對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，鎳基電池的維護(hù)包括周期性的放電以消除記憶性，而鋰基電池的免維護(hù)性大大方便了電池性能的快速測(cè)量。

作者簡(jiǎn)介：Isidor Buchmann先生是Cadex Electronics Inc的創(chuàng)立者和CEO，他在通訊領(lǐng)域、電池應(yīng)用領(lǐng)域具有20多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，曾在世界范圍內(nèi)發(fā)表大量有關(guān)電池的著作和論文并獲獎(jiǎng)?！?/p>