充电电池知识集锦

基本电学公式
　　首先来介绍几个很简单的基本电学公式,希望让没有电子方面背景的读者们能对几个物理现象有点概念.
　　电压(V) = 电流(I) x 电阻(R)
　　电荷量(Q) = 电流(I) x 时间(T)
　　功率(P) = V x I =
　　能量(W) = P x T = Q x V
　　任何物体都有阻抗,在阻抗两端加上一电位差则会产生电荷流过该阻抗,阻抗越大则单位时间内(一秒)流过的电荷量越小,阻抗越小则单位时间内流过的电荷量越多.若将电位差增大则单位时间内流过的电荷量越多,将电位差减小则单位时间内流过的电荷量越少.此电位差称之为电压(V),单位为伏特(V),单位时间内流过的电荷量多寡称之为电流(I),单位为安培(A),阻抗称为电阻(R),单位为欧姆().电流(I)强度越大表示单位时间内流过的电荷数目越多,那麽在在T秒内流过电阻的电荷数目总共有I x T,用以描述此电荷量多寡的名词为电荷量(Q),俗称称电量,单位为库仑(Q).电阻消耗的功率(P)为I x V,单位为瓦特(W),消耗功率越大代表越耗电.,消耗的能量(W)为 P x T,单位为焦耳(J),时间越久消耗能量越大,同样时间消耗功率越大的消耗能量也越大.
　　例如: 一颗1.5V的乾电池接上0.5的灯泡时,消耗电流为3A,消耗功率为4.5W,10秒钟内共流过了30库仑的电荷,消耗了45焦耳的能量. 镍镉电池 的材料电池的分类有很多种,在化学电池中不可充电用完就扔掉的电池称为一次电池,可以多次充电再使用的电池称为二次电池,而镍镉电池是属於二次电池中碱性蓄电池的一种.镍镉电池在材料方面阳极是使用过氧氢氧化镍,阴极使用镉化合物之活性物质,电解液则是使用氢氧化钾等碱性水溶液.当对 镍镉电池 充电时,会在阳极上面产生氢氧化镍,在阴极上面产生金属镉,因而在两极间形成了电位差.将 镍镉电池 的阳极和阴极两端外接负载放电时,阴极端产生带负电的电子经由外接负载流向阳极,因此提供能量供外部负载消耗.
过度充电
　　在充电过程中电池的电压会随着储存电量的增加而逐渐上升,当电池储存的电量达到饱和电极材料无法继续充电时,若继续充电则电解液会起电解,并且在阳极产生氧气,在阴极产生氢气,如此会在密封的电池内部造成内部压力上升,会对电池内部结构造成破坏.像这种现象称之为过度充电.
　　为了避免过度充电电池遭毁损,通常将阴极之容量制作得比阳极容量大,如此当过度充电时阳极会先达到饱和并产生氧气,而阴极却未饱和而不会产生氢气,阳极产生的氧气扩散到阴极之后会与充电产生的金属镉起化学反应吸收掉氧气,且此反应的速度与金属镉产生的速度平衡,因此可以有效地避免电池的压力上升.但是若充电电流过大(使用快充时)就会失去平衡,电池的内压过大会将电池的安全阀推开,氢气和氧气会泄漏到电池外部,直到压力降低安全阀关闭电池才又再密封起来.但是气体的泄漏已使得内部化学材料减少,造成电池寿命的缩短.
充电电压的变化
　　电池过度充电时,因为阳极产生的氧气与阴极起化学反应会产生热,使得电池温度会上升外壳发烫.由於温度越高电池的充电电压会变得比较低,因此充电时电池电压会持续上升直到过度充电时,电池温度会突然地快速上升,电压不再上升转而由峰值开始下降.
标称电压
　　镍镉电池在标准放电条件下放电时,电压会缓缓地下降直到当电量几乎释放完时,电压会大幅度地下降,此电压值称之为标称电压.一般 镍镉电池的标称电压为1.2V,与一般乾电池标注的1.5V是相同意思,都是标注於电池外壳上面. 镍镉电池只要有电量电压值一定至少在标称电压1.2V以上,储存的电量越多电压也越高.
放电终止电压
　　电池在放电时其电压会随着电池电量的减少而逐渐降低,当电压降到所要求的准位时就不再让它继续放电,称为放电终止,而此电压准位称之为放电终止电压.通常厂商建议的放电终止电压约在0.9V ~ 1.1V左右,电压放电到此准位时电量几乎已经放光了,此状况称为完全放电.镍镉电池已经完全放电了还不移掉负载而让它继续放电下去,那麽就成了过度放电,电压会急速下降直到0V为止.若电压尚未降到0V左右就终止放电,则电池电压会自动快速回升到标称电压1.2V左右.
  过度放电
　　镍镉电池的一大致命伤就是被过度放电,将放电终止电压设定在此状况下,不但没有电力可以推动负载,对电池寿命也会造成损害.而且一旦不慎让电压继续下降到几乎等於0V时,就算想终止放电把负载移走恐怕也来不及了,电池的电压无法再自动回升,一般的充电器也无法再把电充进去,它的电压会一直固定住停留在0V不动.此刻的它就像是中风似的瘫痪在那边,就别说折寿了,更是往往一命呜呼哀哉不能再使用了.
电池容量的定义
　　电池的容量系指对电池放电,直到电压降到终止电压为止,在这期间所能取得的放电电荷量.若是在规定的电流和温度等标准放电条件下,对充饱电的电池进行放电直到放电终止,所得到的容量称之为额定容量(或标称容量).容量的大小与其所消耗的电极材料之活性物质的量有关,而标准放电条件则是依照电池种类的不同有所规定.容量是根据电池的放电反应来定义,而非充电反应来定义,因此我们常说的电池容量有多大,是指放电时可得到的累积放电电荷量有多少,而非充电时流进去的电荷量有多少.
电池容量的表示法
　　电池的容量的大小,可以用[(放电电流)x(电压降到放电终止电压所经之放电时间)],计算后所得到的值来表示.之前所介绍的基本电学公式中,电量为电流x时间,单位是库仑(Q),电池若以多少库仑来表示电池容量的话,可能是比较不好理解,因此电池的容量都是把电流x时间的值,直接以C=IT(单位以mAh或Ah)来表示,其中C是容量(与库仑是同意义),I是电流,A是安培,mA表示电流大小为豪安(千分之一安培,A),h代表小时(hour),也就是说以千分之一安培的电流放电一小时所累积的放电量为1mAh.因此C=I x T = 多少mAh, mAh就是库仑的等效表示方式.通常电池的外壳包装上面都会标明电池的额定容量,用来表示该电池的最大容量.新的镍镉电池在第一次充放电时容量都可以达额定容量,但容量会随着充放电次数的增加而减少.
　　例子: 以1安培电流放电需要二小时才能将电池电量放光,那麽电池容量约为2000 mAh.若将电池容量以库仑来表示的话,那麽C = I x T=1A x 7200 sec =7200 库伦.您是不是也发现用2000 mah来表示比用7200库伦来表示比较不空洞而明了多了呢。
C表示式
　　电池除了以安培(或毫安)做单位来表示电池的充放电流大小之外,也使用英文字母C(capacity)来当作额定容量(电流x时间)之电流部分,以它做为电流大小衡量的单位.比如说额定容量600mAh的电池,C就是600mA的意思,所以电流1C就是600mA,电流2C就是1.2mA,电流0.1C就是60mA.以后购买电池时若在规格上找不到充放电流的安培数时,请先别着急,别忘了找找看有没有写着多少C喔.
充放电率
　　所谓充(放)电率是将全部容量的电荷放(充)完所需要的时间,做为充(放)电时的标准速度.一般用来说明放(充)电的速度是多少,比如说二小时率的放电,是指用0.5C的电流,在二个小时的时间将电池全部容量放完.20分钟率表示用3C的电流在20分钟内将电池额定电量全部放完.在厂商的电池规格书上面,也常使用小时率来表示标准放电时间,只要根据额定容量来换算就知道标准放电电流是多少了.通常厂商提供的规格上额定容量是以温度20℃,而放电是以5小时率0.2C的条件来量测.
充电效率
　　电池不可能充多少电量进去就能储存有多少电量,一定会有所耗损,除了阳极和阴极漏电间的绝缘体漏电之外,材料也不可能无瑕地储存所有电量.电池放电时取出的电量与充电时流进去电池的电量之比,称之为充电效率.
　　通常电池厂商都是建议充电量必须为额定容量的1.5倍,才能将电池充饱.也就是说若以0.1C的电流充电需要充15小时,以3C的电流充电需要充半小时,虽理论填充量是额定容量的1.5倍,但实际填充量差不多刚好为额定容量.
利用率
　　虽然理论上电池的额定容量很大,但实际上充饱电后再放电时可得到的电量却往往小於理论容量,表示电池可储存的实际储存容量并没有那麽大,此实际容量相对於理论容量的比率称之为利用率.通常电池的放电电流越大,或者周遭温度降低时,利用率会减小.
放电深度
　　电池放电时所放电量与所储存电量的比率称之为放电深度,比百分比表示.例如放电深度20%表示电量放电到剩下80%电量的程度.
  周期寿命
　　通常镍镉电池在应用上都是拿来做反覆充电与放电的周期性工作,电池的寿命是有限的,容量不可能一直保持而不下降,在一定的工作条件之下反覆充放电之后,电池的容量会下降到额定容量的80%(或定义在60%).此反覆充放电的次数称之为周期寿命,周期寿命越高表示该电池的使用寿命越长.有些电池的参考规格上面会标明充放电周期,写着放电深度多少时约多少次,意旨周期寿命.随着充放电流,放电深度与其他充放条件的不同,周期寿命也随着变化,尤其是使用大电流充放电时,一定会有寿命缩短的现象.现在的镍镉电池只要依照购买时厂商所附的说明正常地使用,通常都可以反覆使用500次以上.
电池内阻与电压
　　电池是有内阻的电压源,可以视为是一个理想电压源(没有内阻)串联一电阻输出.未接负载时电池两端量到的端电压就是理想电压源的电压,称之为开路电压,当电池外接负载时,负载与内阻串联接到理想电压源上,因此负载上所得到的分压也就是电池的端电压,会小於理想电压源的电压,称之为闭路电压.电池的内阻越高则负载可分得的电压就越小,因此理想的电池是没有内阻.
　　镍镉电池的内部电阻非常的低,一般只有几毫欧姆到数十毫欧姆左右,因此外接大小不同之负载时放电电压还是很稳定,放电电流曲线很平坦,可以做大电流放电使用.一般乾电池内阻动辄数欧姆,放电电压不稳定放电电流曲线不平坦,相较之下镍镉电池属於特性较理想的电池.
自放电
　　电池由於内部会起化学反应的关系,内部会自我放电,虽未外接负载但是电池所储存的电量会随着时间而逐渐消失.自我放电的速度称为自我放电率,周遭温度越高时自我放电电流也越大.根据专家实验的结果,镍镉电池在0℃时约三个月会放电20%使残余容量剩下80%,在20℃时一个月约放电25%,三个月放电40%,若温度越高45℃时,一个月就已经放掉70%的容量了.因此,在夏天电池充饱电后只要短短几天的时间,容量就剩下80%甚至50%了,难怪专家建议,最好的保存方法就是将电池密闭包装妥当后置於冰箱中冷藏(不能受潮),不是没有道理的.
连续放电与间歇放电
　　连续放电是指电池在放电过程中不中断,持续放电直到电池的电压降至放电终止电压才停止,间歇放电则是指放电过程中电池与负载之间的电流通路断断续续,时而导通时而断路,直到电池的电压降至放电终止电压为止.电池在放电过程中电压会慢慢地持续下降,若过程中暂时停止放电则电压会马上上升回复到某一准位才停止,若再继续放电则电压又从该准位开始下降.
　　连续放电方式的实际放电时间与放电期间是相同的,而间歇放电的实际放电时间则是放电期间电流通路导通的时间片段累积和.比较相同容量的电池以两种方式进行放电时,在同样的终止电压下,由於电池电压会回复的关系,间歇放电方式的实际放电时间会比连续放电的实际放电时间还长,且间歇放电方式所释放的容量也比连续放电方式的放电容量还多.
　　一般的电池都有上述现象,使用大电流来放电时放电容量会无形中减少了许多,而使用间接放电方式会比连续放电方式多出更多容量,尤其当电池外接重负载(负载电阻越小)时差异现象越是明显.镍镉电池的内阻小短路电流大放电曲线平坦特性佳,一般情况使用连续放电与间歇放电时容量差异不大,但是电动枪的马达在由静止开始运转启动之际,阻抗非常的低是属於重负载,电池的放电电流相当的大,间歇放电方式产生的效果就非常明显了.
　　根据经验电动枪使用全自动射击时,往往打没几百发电池就令人错愕的没电了,这与广告上所号称的可连续射击1000发的吹嘘差异甚远,不知是电池品质不好还是怎样,年纪轻轻的还没被你摧残就欲振乏力,或者开始怀疑电枪的mecabox内部有问题.但是若您愿意尝试克制一点不要那麽兴奋,尽量使用单发射击而少用全自动胡乱扫射挥霍BB弹的话,您会发现您的电池还可以打个好几百发没问题,电池品质好不好也可以从发射弹量来做比较客观地的分析.
温度对电池的影响
　　镍镉电池是靠化学物质的反应来动作,化学材料往往会自我消耗,在温度高的环境下自我消耗的情形会较严重,容量会降低,也可能会有漏液与生锈的情形,在高温下进行充放电更是会对电池造成破坏降低寿命.镍镉电池可稳定工作的温度范围还算很广,充电约0 ~ 45℃,放电约-20 ~ 60℃,保存约-30 ~ 45℃,平常最好保存於较冷但不潮湿的地方.
　　温度对於电池的寿命以及充放电特性影响很大,充放电时若环境温度越高,则电池的材质受到破坏,极版之活性物质的功能降低使容量减小,阳极阴极隔离版间的隔离版绝缘降低造成短路,且温度升高电池之电压也变得较低,充放电效率降低了许多,电池的容量大大地减少.因此除非使用的镍镉电池是耐热型的,否则充放电时应留意电池的温度,不要使用过大之电流充放电以免温度过高.
充电方式
　　镍镉电池若不以当备用电源为用途,而是以反覆性的充电和放电来使用时,根据电流的大小可以把电池的充电方式分为标准充电与急速充电(快充)两种,标准充电是指参考电池额定容量以0.1C的电流,对电池作14~16小时的充电,也就是说充电容量大约是电池额定容量的1.5倍时可以将电池几乎完全充饱.急速充电是使用较大的电流充电,并且在充电末期对电压与电流加以控制防止过充电.急速充电的电流大小一般约在0.3C左右,使能够在4~6小时完成充电,现在有些超急速型的电池,能以1.5C或更大电流做超急速充电,在不到一小时的极短时间内完成充电动作.
　　一般型的镍镉电池若以快充方式来充时,产生的气体无法快速吸收会严重的影响电池寿命,虽然标准充电方式耗时数小时,为了电池能用久一点好是遵照此方式来充比较好.快充型的电池是比较能能够承受大电流,不过使用大电流充电对电池而言绝对是没有好处,不同厂牌之电池的品质良劣参差不齐,对使用者而言厂商标榜的规格是否有夸大事实并无从得知,除非该电池之性能口碑值得信赖,否则时间不催促的话最好是以标准方式来充.
  　使用在急速充电里预防过充电的侦测方法,比较常见的有定电压控制,温度上升控制以及控制,或者三种方式混合使用.
定电压控制
　　当侦测到电池电压上升到设定的电压准位时就停止充电.这种方式是最简单的方式,只要根据电池特性知道电池的电压上升曲线,就可以将侦测电压设为最接近充饱时的准位,不同款式的电池充饱时之电压准位不大一样,新旧电池特性也不一样,用此方法比较无法设定理想电压.这种方式虽然简单但也相当危险,前面说过温度较高时电池电压会降低,以大电流充电更是会提高电池温度,如此电池有可能已经充饱但是电压却尚未达到设定的准位,且电池充饱后电压不再上升而开始下降,如此的过充电后果相当严重,若加上电池发生内部短路充电器未具备保护电路时,一旦电流过大造成危险后果不堪设想,因此在此方式进行充电期间,使用者必须加以留意.
温度上升控制
　　电池容量充到饱和时产生的氧气会在阴极和镉反应产生氧化热,电池的温度会开始快速上升,利用此现象侦测到温度到达某程度时既结束充电.在同样的充电量下充电电流越大此上升的温度也越高,因此若充电电流过大时,达到预定之温度时电池可能尚未饱和,但是电流若太小,则氧化吸收快温度就不会明显上升,充电动作就会一直持续下去而不知终止.此外这种方式会受周遭温度影响,无法判别电池的温度是内部自行产生的化学热,还是由周遭环境引起的高温而误判,因此此方式在高温的环境下会充电不足而低温的环境会充电过度.
控制
　　充电时电池的电压会随着充电容量的增加而升高,当充电容量达到饱和时,电压上升到峰值,并转而开始缓慢下降.利用此电压下降的特性可以用来控制充电终止,待电压下降幅度达到时即停止充电,通常1.2V的镍镉电池其下降幅度差不多会有20mV以上(实际之数据得参考电池规格),在充电过程可以以电表明显的观察出来.电池电压的充电曲线受到充电电流与温度的影响,在同样的充电容量下,电流越大或温度越低时,电压上升的幅度较大,下降的幅度也比较明显.电流越小或温度越高时,电压上升的幅度较小,下降的幅度也较为平坦不易分辨.因此控制方式比较适用在急速充电的方式里,且为了避免温度的影响使侦测失灵,通常配合温度上升控制使用,以防止过充电.
　　镍镉电池若经保存过久未使用,或者已经日薄西山,那麽初次再行充电的前几分钟,会发生电压不但充上去且还往下降的情形然后再上升的情形,因而造成的误判而终止充电.控制方式是较佳的控制方式,特性不同的电池仍能可利用的特性来对电池作完全充电,比较不用再担心电压控制设或温度设定出问题而伤害电池.
　　目前许多高级的微电脑控制型充电器都是使用此种控制方式,且价格比一般充电器昂贵,有些虽然打着的名号,实际上其控制程式以及充电电路设计得并不怎好,对也往往有误判的情形发生,不是将电池充到可以煎鸡蛋,就是连充都还没充到就罢工判断电池已充饱,因此比较好的充电器除了增加温度控制之外,再根据充电时间,电压与电流的大小变化,计算出充电容量,并且判断出是否电池真已达到饱和.
　　上述三种方式都是急速充电的方法,在充电终了后,基於电池会自我放电的特性,一般都是对电池继续施以小电流的补充充电,以弥补电池的漏电电流,并且急速充电并不能保证一定能百分之百达到完全充电,以小电流继续补充充电刚好能填补不足之容量.通常补充电流的大小约在C/20 ~ C/40之间,一般充电器在使用急速充电模式对电池充电终止后,都是迳行进入所谓的慢充模式,其实也就是以此小电流对电池继续补充充电.在此模式下,微小的电流几乎不会让电池产生多少热,也不会让电压有明显的变化,因此充电器几乎都是设计成一直施行补充充电而不会自动停止,虽然不还不至於对电池造成过充电,但是为了避免增加镍结晶现象,使用者还是得斟酌补充充电的持续时间.
容量的估算
　　电池的容量估算方式很多种,每每总都脱离不了C=IxT的计算方式.电池放电时流过电池的电流大小为,是电池的端电压,是负载电阻,电池的放电容量就是为,是时间.电池的电压是随着放电时间的长短而逐渐降低的,要估算出比较准确的放电容量的方法,就是采用积分方式,从开始放电起到电压降至终止电压为止这段期间内,每一个时间点上的电压值换算成电流之后对时间积分起来,即可得到很准确的放电容量.
　　因为电池的放电曲线并非线性,且欲取得在每一时间点的电流变化来计算有困难,因此一般都是使用积分的近似估算方式,将时间细分成很多小时段,撷取每一个时段内某一参考点的电压值(或者该时段之平均电压值)来当作该时段的电压值,每一时段各自计算其放电容量,再将每一时段的容量加起来就成了放电容量的近似值.时段切割得越细越准确,但是要人工计算非常困难,因此只有具备微电脑处理能力的充电器才能做精密计算,而若要用手工计算可能以大时段计算出大略数值.
　　另一种比较简单但是误差较大的估算方式,是在放电期间内任意选取几个适当的时间点(包括放电启始与终止),以梯形面积的计算公式来计算,求取每一个时间点之间的放电容量之后,将整个放电期间各放电容量加起来即可得到粗略的放电容量了.