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。对于可拋弃式电池(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