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作者: priv (邪惡松鼠) 看板: MobileComm
標題: [心得] 關於手機的電池 - 原理和觀念
時間: Thu Jan 12 17:03:23 2012
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太多人問了，覺得有必要寫一篇專文。
同步發表於blog上：http://priv.tw/blog/archives/545
本來想寫短一點，結果變得很長，有興趣再看吧。
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，由於我們外流加上的電池，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，3.8V，4.2V
實際上手機電池在電壓上並沒有什麼區別。
下次看到同廠牌，標示不同電壓的手機電池(ex. EVO 3D & Sensation)
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，意味是標準鋰離子電池的最高電壓。
如果標示3.7V或3.8V，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剛好是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。
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漲大的狀況。
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3.0V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, 2000mA三種。
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：
因為這是比較大的問題，所以特地獨立一段出來。
一言以蔽之，就是要選擇品質穩定、電流充足的充電器。
由於前段所述，充電電路會有限制的關係
所以使用規格超過原廠電流的充電器是沒有關係的。
就算拿平板電腦用的旅充來充手機，手機充其量也只會用1A的速度來充電。
而且事實上，由於平板電腦用的旅充工作電流更大，如果不計較插頭大小
它的電流電壓穩定度、以及效率還可能會比一般手機用的旅充插頭要好。
(當然，如果手機不幸短路、故障燒掉，限流1A還是會比2A燒得慢一點
不過一旦燒掉可能就沒什麼差了。)
一般來說，原廠旅充和原廠線是不會有什麼問題的。
如果有必要選擇副廠(不同地方使用或車用)廠品，務必要小心選擇。
不符標示的旅充車充，在市面上非常多。貪小便宜的結果，往往是用得很不開心。
USB線也是一般人容易忽略的地方，由於USB主要的功能是傳輸資訊
事實上很多的USB線，其5V的銅線粗細，並不足以承受1A甚至2A的電流。
電阻過大造成充電電流不足事小，如果發熱燒毀造成危險，就絕對是因小失大了！
如何確定電流充足呢？除了觀看電流的程式來監控以外
由前幾段，你應該對電量和充電有一定的概念。
以1500mAh的電池，1A充電，再考慮超過80%~90%時充電速度變慢的情形
大約二個小時左右充飽，是合理的情形，代表電流正常。
若充到三小時、甚至四五小時以上，那就很明顯有問題了。
當然，如如果邊充邊用，由於CPU/RAM/螢幕等分走了電流
那自然充電速度就會大幅減少。以現在的手機而言，如果來源只有500mA
你同時使用導航，或玩遊戲，那恐怕會充不太進去
甚至還可能會有越充電越少的情形。
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，導航)
會造成手機急速發熱，影響手機和電池的壽命是其一
很多手機電池超過40~45度時，會自動停止充電來保護電池！
(補充：在不會發熱的情形下稍微輕度使用是無妨，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。
通常的作法是將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。
