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）等充放電實驗數據，并對實驗結果進行了分析，得出了結論。

[關鍵詞]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，但真正能滿足現代屏幕手機用電要求的電池并不多，實踐結果證明鋰離子電池是為數不多的電池類型中比較好的一種電池。所以，現在國內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，指電池內部所有參與電化學反應的物質全部反應后能放出的電量之和；額定容量指電池在規定的放電電流，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，導線等。

第一種電路如圖1所示，電源是信號波發生器，可以發出正弦波，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。因為沒有設置三極管的靜態工作電，三極管發射極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導通電壓的存在，E點電壓只能是“準”半波，此半波再經電容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，充電電源的內組，其實是電源內組，三極管等效電阻及導線電阻的總和。為了測量充電電流電壓又分別串聯和并聯的電流表和電壓表。

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，安時計還設置了門限控制。當充電電壓或電流等于事先設置的充電上限電壓或電流時，安時計中的相應繼電器會切斷電路，當電池電壓低于充電下限電壓或電流時，安時計中的相應繼電器又會自動合上電路，繼續充電；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，安時計中的相應繼電器又會自動合上電路，繼續放電。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據，原始數據比較多，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。

表1 正弦波半波整流充電數據

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，又考慮到電池規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，因為將安時計設置的上限電壓為4-35V，所以數據是沒有啟動保護電路前的數據。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，電壓已經充到4-2伏，保護電路啟動切斷充電電路，本以為電池已經充滿電，但當再次顯示電池電壓時卻發現電池電壓為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。從實際測量的數據可見，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據。從數據上看，恒壓源充電和恒流源充電類似，也出現“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歐的數據。此試驗也使用了安時計，我們把放電下限電壓設置為3-6伏。從試驗的數據看，放電過程也存在“虛”放現象，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現電池電壓又回升至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，只能記下區間。

4 結 論

結論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。