手機充電器充電過程研究

黨自恒　馬志勤　王亞軍　曹荷芳

[摘 要]文章介紹了手機電池容量的概念，對手機鋰電池充電過程進行的實驗，給出了正弦波半波整流，三角波半波整流，鋸齒波半波整流，恒流電流，恒壓源（電源電壓4-23～4-25波動）以及電池放電（電阻10歐，電池電壓3-8伏）等充放電實驗數(shù)據(jù)，并對實驗結(jié)果進行了分析，得出了結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]手機電池；電池容量；充放電；手機充電器

[DOI]10-13939/j-cnki-zgsc-2015-27-267

1 引 言

隨著科技的進步和人們生活水平的提高，手機的應(yīng)用越來越普及，尤其是年輕人幾乎人人都有手機。而手機是個移動設(shè)備，需要一個能和手機一起移動的動力裝置手機電池。電池的種類比較多，但真正能滿足現(xiàn)代屏幕手機用電要求的電池并不多，實踐結(jié)果證明鋰離子電池是為數(shù)不多的電池類型中比較好的一種電池。所以，現(xiàn)在國內(nèi)國際各大手機廠家無一例外都選用鋰離子電池為自己生產(chǎn)的手機充電。因此，鋰離子電池的容量、充電速度及安全性受到越來越多人的關(guān)注。

2 力圖對鋰離子電池的容量、充電速度進行研究分析

容量：容量是電池性能的重要性能指標之一，它表示在一定條件下（放電率、溫度、終止電壓等）電池放出的電量。國際單位制中，容量的單位是安培·小時（簡稱安時，以A·h表示，1A·h=3600C（庫倫））。由于許多電池的容量比較小，許多地方也用毫安·時（mA·h，1A·h=1000mA·h）表示。

對于一節(jié)電池而言，電池容量并不是一個固定值，不同條件下分為理論容量、額定容量以及實際容量三種。理論容量即化學容量，指電池內(nèi)部所有參與電化學反應(yīng)的物質(zhì)全部反應(yīng)后能放出的電量之和；額定容量指電池在規(guī)定的放電電流，溫度及終止電壓下放出的電量；實際容量指電池在真正的負載上使用時的可用容量。由于實際使用的放電電流、工作溫度等條件和額定容量的測試條件不同，電池的實際容量和額定容量之間往往存在較大差別，而理論容量是永遠不可能達到的放電電量。

電池容量的測試方法分為恒流放電法和恒阻放電法，其中恒流放電法最常用，測試原理就是對電池施加一個恒定的放電電流，并累計時間，當放電到電池電壓低于某個電壓（終止電壓）時，停止放電，累計的總時間×電流就是電池的容量。

速度：在電池充放電過程中，通常用充電放電速率來表示充電速度的快慢。充電速率（charge rate）或放電速率（discharge rate）。

定義： 無論電池的實際容量和規(guī)定的終止電壓是多少，如果電池用1h充或放電完畢，稱為1C充或放電；5h充或放電完畢，稱為C/5充或放電，以此類推。

充電實驗：為了研究分析電池的容量和充電速度，我們在實驗室對兩塊電池施加幾種電壓進行了測試。

設(shè)備：直流電壓源，電流源，信號源，示波器，電壓表，電流表，安時計，電池充電座，三極管，二極管，烙鐵，導(dǎo)線等。

第一種電路如圖1所示，電源是信號波發(fā)生器，可以發(fā)出正弦波，三角波，鋸齒波，矩形波。為了模擬市電充電，信號頻率取50Hz，由于信號波發(fā)生器的功率比較小，不能直接為電池充電，所以加入功率放大電路。圖中三極管為功放管，我們選取了輸出電流5A的達林頓管。直流電源VCC電壓為15V。因為沒有設(shè)置三極管的靜態(tài)工作電，三極管發(fā)射極E點電壓不是正弦波而是半波，不過由于三極管基射極正向?qū)妷旱拇嬖冢珽點電壓只能是“準”半波，此半波再經(jīng)電容C濾波后輸出整流濾波電壓，加在電池兩端。圖1中的電阻R0是對電池而言，充電電源的內(nèi)組，其實是電源內(nèi)組，三極管等效電阻及導(dǎo)線電阻的總和。為了測量充電電流電壓又分別串聯(lián)和并聯(lián)的電流表和電壓表。

圖1 半波整流電容濾波充電電路圖

第二種電路如圖2、圖3所示，電源直接用輸出電壓可調(diào)的直流電壓源和恒流源。所要說明的是，實際測量時還使用了安時計。此次試驗用的安時計可以顯示時間、電壓、電流及電池充放電容量。為了保護電池過壓、過流充放電，安時計還設(shè)置了門限控制。當充電電壓或電流等于事先設(shè)置的充電上限電壓或電流時，安時計中的相應(yīng)繼電器會切斷電路，當電池電壓低于充電下限電壓或電流時，安時計中的相應(yīng)繼電器又會自動合上電路，繼續(xù)充電；同樣道理，當電池放電時，為了防止放電電流過大或電壓過低損害電池，安時計設(shè)置了放電下限電壓，當電池電壓等于放電下限電壓時安時計中的相應(yīng)繼電器切斷電路，當電池電壓高于放電上限電壓時，安時計中的相應(yīng)繼電器又會自動合上電路，繼續(xù)放電。放電電流的下限沒有進行控制。

圖2 直流電壓源電池充電電路圖

圖3 恒流源電池充電電路圖

下面是各種電壓充放電數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)比較多，由于篇幅有限不能全取，這里只取有代表性的一部分作為分析的依據(jù)。

表1 正弦波半波整流充電數(shù)據(jù)

3 分 析

（1）正弦波半波整流電容濾波，因為濾波電容比較大，輸出的電壓比較平穩(wěn)，又考慮到電池規(guī)定的充電電壓上限是4-2伏，所以電源提供給電池的電壓基本上是4-2伏。因為當時并沒有考慮到過壓充電，所以沒有上限電壓保護，也沒有使用安時計。由表可見，隨著時間的推移，充電電流在逐漸減小。

（2）三角波半波整流充電。這次沒有加濾波電路，使用了安時計，因為將安時計設(shè)置的上限電壓為4-35V，所以數(shù)據(jù)是沒有啟動保護電路前的數(shù)據(jù)。電池的電壓、容量都隨時間的推移逐漸上升，但充電電流剛開始時并不大，但很快電流就升高，最大達到155A，但隨后又基本在降低。

（3）鋸齒波半波整流充電。電池的電壓、容量都隨時間的推移逐漸上升，充電電流總的來說變化不大。

（4）恒流電流充電使用了安時計，電池初始電壓為3-91伏，并設(shè)置了電壓保護控制，開始時上限電壓為4-2伏，到31分鐘時，電壓已經(jīng)充到4-2伏，保護電路啟動切斷充電電路，本以為電池已經(jīng)充滿電，但當再次顯示電池電壓時卻發(fā)現(xiàn)電池電壓為3-93伏，遠沒有達到電池充電電壓的上限4-2伏，于是再次合上電源繼續(xù)充電。但僅僅過了兩分鐘，安時計自動保護電路又開始啟動切斷電路。估計即便再接通電路也不會再充多少電，于是大著膽子將安時計上限電壓提升到3-3伏，結(jié)果充到69分鐘時電路又被斷開，而此時電池電壓是4-04伏，仍然沒有達到上限電壓，于是又將安時計上限電壓提到4-35伏，到106分鐘時，電路又自動斷開，電壓是4-11伏。由于擔心電池會損壞，上限電壓沒有再提升。從實際測量的數(shù)據(jù)可見，電池充電上限電壓不是指電池充電時加在電池兩端的電壓，而是指充電后電池兩端的靜態(tài)電壓不超過4-2伏。許多廠家都說電池充電限制電壓4-2伏，不知它們的真正含義是什么。從此試驗的結(jié)果看如果確實是充電時加在電池兩端的電壓不能超過4-2伏，要想電池“充滿”實在是太困難了。

（5）恒壓源充電。我們做了電源電壓是3-7伏，4-2伏，4-25伏三種情況的試驗，因為篇幅問題只給出了第三種情況的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)上看，恒壓源充電和恒流源充電類似，也出現(xiàn)“虛”電壓的情況，充電時間很長電池卻遠沒有“充滿”。

（6）電池放電。我們也做了幾種情況的放電，這里給出的是放電電阻式10歐的數(shù)據(jù)。此試驗也使用了安時計，我們把放電下限電壓設(shè)置為3-6伏。從試驗的數(shù)據(jù)看，放電過程也存在“虛”放現(xiàn)象，當放電電壓達到3-6伏時，保護電路啟動，但當停放一段時間后發(fā)現(xiàn)電池電壓又回升至3-62伏，第二次保護電路啟動后，我們停了比較長時間，電壓回升至3-68伏，后面還有記錄，但因為篇幅限制就取這么多，顯然，此時還有相當多的電量沒有放完。表中出現(xiàn)0-15～0是因為此時顯示的值跳動很快無法及時記下，只能記下區(qū)間。

4 結(jié) 論

結(jié)論1：手機電池電壓3-7伏和上限充電電壓4-2伏，都不是一個絕對的標準，充電電壓高于4-2伏和放電電壓低于3-7伏，也不一定能把電池損壞。各個廠家執(zhí)行的國際標準只是一個對電池有較好保護的標準。當然由于試驗的時間、條件等限制，也許還有其他問題沒有暴露出來，比如電池壽命，我們無法等幾年的時間來判斷哪種充電對電池的壽命影響較大。

結(jié)論2：電池充電最好不要用恒壓恒流源充電，因為充電太慢，可以考慮用正弦波、三角波、鋸齒波和矩形波整流充電，充電的“虛”電壓會比較小，充電也較快。

結(jié)論3：電池可以先采用大電流充電，等電池電壓達到上限值后再改用整流電壓充電，直至達到“充滿”要求。