电池与电源管理

电池与电源管理

由于无线手机的通话与待机时间越来越长，又能支持更多种类的复杂无线应用系统，因此整合式电源供给正迅速成为这类产品的一项重要需求。本文将讨论电池、电池系统以及电源的转换。

我们所要讨论的第一个主题就是系统的心脏：电池。讨论的内容则包括了电池的种类、电池的充放电以及系统的维护;我们将会讨论电源需求、安全考量、成本、单位电池(cell)的数目、对环境的影响、寿命周期、单位电池的额订电压以及各种电池的优缺点(镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池以及锂聚合物电池)。

电池是什么?

电池会透过化学物质或离子的交换反应，把能量储存在所产生的电位场中。对于可弃式电池(或称为一次电池)来说，想透过电路操作来还原这些反应是一件不可能或不切实际的事情;但是对于充电电池(又称为二次电池)而言，如果我们外加一个电压，并且让它的大小超过电池电压，就可以让这些反应还原，同时将能量储存到电池内部，而不是从电池取出能量。电池管理就是管理一系列的化学反应。

电池为什么需要管理?

所谓「二次化学反应」是指发生在电池组件之间的化学反应，也就是储存与释放能量等一次反应之外的其它化学反应。二次反应不但会释出额外的热量，而且随着时间与寿命周期(充电与放电的次数)的增加，还会产生一些固态、液态或是气态的副产品，其中固态杂质会在电池的反应表面上结晶，并且遮住可用来储存电荷的「反应位置」(reaction sites)。热量会从液体或气体电解质中蒸发出重量较轻的成份，如果气体的产生速率大于电池零件所能吸收的速率，就会在密封电池的内部产生压力，而未密封的电池则会造成「气体外泄」的现象，并改变化学物质的组合成份。

如果我们对一颗已经处于满电位的电池继续施加能量，那么二次反应的速度就会大幅加快，这就是所谓的电池「过度充电」(overcharging)，它不但让电池的蓄电能力降低，还会缩短电池的周期寿命;此外，对于某些电池化学来说，过度放电也会造成同样的效果。为了释出内部的压力，电池的密封有可能被这些高压气体冲破，可能造成暂时或是永久性的破坏。 电池有一个「自放电率」(self-discharge rate)，这是指在未供应电流给外部负载的情形下，电池自行「泄漏」储存电力的速度。当电池完成充电后，我们仍须进行维护性或「浮动式」(float)充电，而且充电速率必须等于电池的自放电率，才能让电池一直保持在满电力的状态。

电池常常被串联或是并联在一起使用。若采用这样的工作方式，那么只要这些电池之间有些许差异，就可能对某些电池化学产生很大的影响。因此，电池制造商与代工制造商必须要求电池有相同的化学、制造商、出厂时间、甚至是生产批号。甚至某些电池化学还是必须监测所有的电池。

单位电池、电池和电池组

电池的化学反应会产生一个固有电压，这个电压是电池化学反应的一项性质，它与电池的结构或是体积大小无关。如果一个组件能产生这样的一个固有电压，就称为是一个「单位电池」(cell)。一个「电池」(battery)可能包含很多个单位电池，可以串联、并联或是混联在一起，并且全部安置在同一个case中。在一个「电池外壳」(enclosure)中放入多个单位电池或是电池，而且这些单位电池或电池都有自己的case，则这个电池外壳就称为「电池组」(pack)。

应用系统也可使用多个电池组，这或许是因为它所须的电力超出了一个电池组的供电能力，或许是为了让一个电池组供电，其它的电池组则进行充电或维护。这类应用系统可能对电池管理电路有些其它的要求，以便在充电周期的不同时间点上，或是在不同的安装与拆卸条件下，都能依序对各个电池组进行充电。

电池结构的专门术语

单位电池中有两个反应表面，它们的化学成份并不相同，并且由一些不起化学反应也不导电的分隔层将它们固定隔开，在反应表面之间则会填满一种电化学反应良好的材料，称为电解质;在大多数商用电池中，电解质是一种液体或是胶质，但是在一些比较少见的电池中，可能是气体或是固体。在反应表面上有一些电路接点(tabs)，其中高电位材料上的接点称为正接点，低电位的材料为负接点。在电池case内部还有两块特别区域，彼此互不导电，主要是做为电池的正极与负极;其中正极会经由一条线路连接到单位电池内的正接点，负极则会连接到负接点。

由于绝大多数的电池都是圆柱形状，因此厂商会在负极材料上面覆盖一层的分隔层，然后再盖上一层的阳极材料，最后再把它们卷起来，装入圆柱状的电池内。另一方面，如果可以折叠这些分层覆盖的材料，就可以做出更节省空间的方型电池。铅酸电池就采用了方型的外壳，电池内部会加入电解液，然后将正极电板与负极电板一片片的轮流固定，并且浸泡在这些电解液中。

在所有的商用电池中，厂商都会在单位电池内做一个释出压力的安全结构，以便在过度充电情形极为严重时，用一种受控制的方式将气体排出。某些电池还会包含保险丝组件以及超温保护组件，这在锂离子电池中最常见。

选择充电电池的化学机制

要针对特定的应用来选择电池化学，就必须让电池化学与应用系统的特性能够相互配合;在今天的商业应用中，常用的电池化学有五种。

表1：五种主要的电池化学

1. 镍镉电池(NiCd)

2. 镍氢电池(NiMH)

3. 锂离子电池(Li-ion)

4. 碱性充电电池

5. 封闭式铅酸电池

传统上，消费性家电产品的充电电池大都是镍镉电池，因为镍镉电池是一种成熟的产品，并且我们了解镍镉电池的化学反应。但在另一方面，镉金属的管理却越来越严格，某些地区还要求对它做强制回收，再加上镍镉电池是一种成熟的产品，因此在容量和寿命周期上也没有太大的改良空间。

相较于镍镉电池，无论在单位重量或是单位体积的电能储存密度上，镍氢电池都提供了相当的改进;锂离子电池的表现则又进了一步，因为它的电能储存密度要比镍镉电池高出一倍以上。虽然镍氢或锂离子化学机制有其优点，但缺点则是电路相当脆弱，其中又以锂离子机制特别明显，它不但会因为电池管理不良而损坏，而且电解质还可能着火，因此电池管理就相当的重要。厂商通常会在锂离子电池组的内部装上一些故障保护机制，以便在电压/电流过大或是温度过高的时候，将电池与负载以及/或是充电器之间的电路切断;此外，厂商多半还会在电池组的内部装上另一组特殊电路，提供可重设的保护功能。但是，镍氢或是锂离子电池的电流供应能力还是比不上镍镉电池，对于耗电量较大、却又无法使用外部电源的绝大多数产品，镍镉电池仍然是较佳的选择。