電池與電源管理

電池與電源管理

由于無線手機的通話與待機時間越來越長，又能支持更多種類的復雜無線應用系統，因此整合式電源供給正迅速成為這類產品的一項重要需求。本文將討論電池、電池系統以及電源的轉換。

我們所要討論的第一個主題就是系統的心臟：電池。討論的內容則包括了電池的種類、電池的充放電以及系統的維護;我們將會討論電源需求、安全考量、成本、單位電池(cell)的數目、對環境的影響、壽命周期、單位電池的額訂電壓以及各種電池的優缺點(鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及鋰聚合物電池)。

電池是什么?

電池會透過化學物質或離子的交換反應，把能量儲存在所產生的電位場中。對于可棄式電池(或稱為一次電池)來說，想透過電路操作來還原這些反應是一件不可能或不切實際的事情;但是對于充電電池(又稱為二次電池)而言，如果我們外加一個電壓，并且讓它的大小超過電池電壓，就可以讓這些反應還原，同時將能量儲存到電池內部，而不是從電池取出能量。電池管理就是管理一系列的化學反應。

電池為什么需要管理?

所謂「二次化學反應」是指發生在電池組件之間的化學反應，也就是儲存與釋放能量等一次反應之外的其它化學反應。二次反應不但會釋出額外的熱量，而且隨著時間與壽命周期(充電與放電的次數)的增加，還會產生一些固態、液態或是氣態的副產品，其中固態雜質會在電池的反應表面上結晶，并且遮住可用來儲存電荷的「反應位置」(reaction sites)。熱量會從液體或氣體電解質中蒸發出重量較輕的成份，如果氣體的產生速率大于電池零件所能吸收的速率，就會在密封電池的內部產生壓力，而未密封的電池則會造成「氣體外泄」的現象，并改變化學物質的組合成份。

如果我們對一顆已經處于滿電位的電池繼續施加能量，那么二次反應的速度就會大幅加快，這就是所謂的電池「過度充電」(overcharging)，它不但讓電池的蓄電能力降低，還會縮短電池的周期壽命;此外，對于某些電池化學來說，過度放電也會造成同樣的效果。為了釋出內部的壓力，電池的密封有可能被這些高壓氣體沖破，可能造成暫時或是永久性的破壞。 電池有一個「自放電率」(self-discharge rate)，這是指在未供應電流給外部負載的情形下，電池自行「泄漏」儲存電力的速度。當電池完成充電后，我們仍須進行維護性或「浮動式」(float)充電，而且充電速率必須等于電池的自放電率，才能讓電池一直保持在滿電力的狀態。

電池常常被串聯或是并聯在一起使用。若采用這樣的工作方式，那么只要這些電池之間有些許差異，就可能對某些電池化學產生很大的影響。因此，電池制造商與代工制造商必須要求電池有相同的化學、制造商、出廠時間、甚至是生產批號。甚至某些電池化學還是必須監測所有的電池。

單位電池、電池和電池組

電池的化學反應會產生一個固有電壓，這個電壓是電池化學反應的一項性質，它與電池的結構或是體積大小無關。如果一個組件能產生這樣的一個固有電壓，就稱為是一個「單位電池」(cell)。一個「電池」(battery)可能包含很多個單位電池，可以串聯、并聯或是混聯在一起，并且全部安置在同一個case中。在一個「電池外殼」(enclosure)中放入多個單位電池或是電池，而且這些單位電池或電池都有自己的case，則這個電池外殼就稱為「電池組」(pack)。

應用系統也可使用多個電池組，這或許是因為它所須的電力超出了一個電池組的供電能力，或許是為了讓一個電池組供電，其它的電池組則進行充電或維護。這類應用系統可能對電池管理電路有些其它的要求，以便在充電周期的不同時間點上，或是在不同的安裝與拆卸條件下，都能依序對各個電池組進行充電。

電池結構的專門術語

單位電池中有兩個反應表面，它們的化學成份并不相同，并且由一些不起化學反應也不導電的分隔層將它們固定隔開，在反應表面之間則會填滿一種電化學反應良好的材料，稱為電解質;在大多數商用電池中，電解質是一種液體或是膠質，但是在一些比較少見的電池中，可能是氣體或是固體。在反應表面上有一些電路接點(tabs)，其中高電位材料上的接點稱為正接點，低電位的材料為負接點。在電池case內部還有兩塊特別區域，彼此互不導電，主要是做為電池的正極與負極;其中正極會經由一條線路連接到單位電池內的正接點，負極則會連接到負接點。

由于絕大多數的電池都是圓柱形狀，因此廠商會在負極材料上面覆蓋一層的分隔層，然后再蓋上一層的陽極材料，最后再把它們卷起來，裝入圓柱狀的電池內。另一方面，如果可以折疊這些分層覆蓋的材料，就可以做出更節省空間的方型電池。鉛酸電池就采用了方型的外殼，電池內部會加入電解液，然后將正極電板與負極電板一片片的輪流固定，并且浸泡在這些電解液中。

在所有的商用電池中，廠商都會在單位電池內做一個釋出壓力的安全結構，以便在過度充電情形極為嚴重時，用一種受控制的方式將氣體排出。某些電池還會包含保險絲組件以及超溫保護組件，這在鋰離子電池中最常見。

選擇充電電池的化學機制

要針對特定的應用來選擇電池化學，就必須讓電池化學與應用系統的特性能夠相互配合;在今天的商業應用中，常用的電池化學有五種。

表1：五種主要的電池化學

1. 鎳鎘電池(NiCd)

2. 鎳氫電池(NiMH)

3. 鋰離子電池(Li-ion)

4. 堿性充電電池

5. 封閉式鉛酸電池

傳統上，消費性家電產品的充電電池大都是鎳鎘電池，因為鎳鎘電池是一種成熟的產品，并且我們了解鎳鎘電池的化學反應。但在另一方面，鎘金屬的管理卻越來越嚴格，某些地區還要求對它做強制回收，再加上鎳鎘電池是一種成熟的產品，因此在容量和壽命周期上也沒有太大的改良空間。

相較于鎳鎘電池，無論在單位重量或是單位體積的電能儲存密度上，鎳氫電池都提供了相當的改進;鋰離子電池的表現則又進了一步，因為它的電能儲存密度要比鎳鎘電池高出一倍以上。雖然鎳氫或鋰離子化學機制有其優點，但缺點則是電路相當脆弱，其中又以鋰離子機制特別明顯，它不但會因為電池管理不良而損壞，而且電解質還可能著火，因此電池管理就相當的重要。廠商通常會在鋰離子電池組的內部裝上一些故障保護機制，以便在電壓/電流過大或是溫度過高的時候，將電池與負載以及/或是充電器之間的電路切斷;此外，廠商多半還會在電池組的內部裝上另一組特殊電路，提供可重設的保護功能。但是，鎳氫或是鋰離子電池的電流供應能力還是比不上鎳鎘電池，對于耗電量較大、卻又無法使用外部電源的絕大多數產品，鎳鎘電池仍然是較佳的選擇。