关于电池和充电与大家谈

关于电池和充电与大家谈

最近发现手机，MP3 等的充电器都是用USB 小口充电，电压都是5V ，电流有550mA ，1000mA 的不等，自己经常混用它们，突然想起是不是会伤害电池呢？非电子专业出身，google 了一下。总结摘抄了此篇文章。

一，电池和充电介绍

　　我发现提出电池与充电的朋友很多，所以特写此文章与大家交流。 不论是数码相机，还是收音机，随身听，电池是所有设备的动力，电池性能的好坏决定了设备的使用性能。

　　电池的结构不同，规格不同，容量的差别很大，就是相同规格的电池，由于型号不同，生产厂家不同，容量也不一样。拿我们最常用的AA 尺寸电池（5 号电池）来说，早期的镍镉电池容量是500mAh ，新式的镍镉电池容量是850mAh ，而同样尺寸的镍氢电池，容量更大，在 1100mAh~2100mAh 之间。

　　电池的容量是以mAh 来计算的，你可以理解为在多少mA （毫安）电流下放电1 小时。例如，1000mAh 就是指电池可以在1000mA 电流下放 电1 小时这么大容量。这样，假如负载（用电器）的耗电为100mA ，该电池就可以放电10 小时，假如负载电流为200mA ，该电池可以使用5 小时，依此类推。

　　电池的原理是化学反应产生电能，两种金属材料在电解液的作用下产生电流，这我们在中学的物理课中都学到过。不同种类电池的端电压也不相同，干电池为1.5V ，氧化银电池为1.55V ，银汞电池为1.3V ，镍镉电池和镍氢电池为1.2V ，铅酸电池为2V ，一次性锂电池为3V ，二次锂电池为 3.6V 。用电器的供电电压不同，使用的电池种类与节数也不同。例如，早期的爱娃随身听使用口香糖型铅酸电池，工作电压设计在2V ，新式的索尼随身听使用镍镉口香糖电池，端电压为1.2V ，现代的数码相机多使用锂电池，工作电压高达7.6V ，需要两节二次锂电池串联供电（虽然是单体，但在外壳内封装了两节二次锂电池），而多数现代收音机都设计能够使用干电池或镍镉、氢镍电池，由2~4 节电池串联供电，供电电压可以在一定的范围内改变。

　　一次性的电池不能再充电，像干电池，碱性干电池，氧化银电池，银汞电池，一次锂电池等。它们的电量用尽以后就只能报废了。有许多人试图给这类电池充电，设计了各种充电器，写了大量的文章，我也一样，曾经为此做出了很大的努力，对各种电池做过上百次试验，结果收效甚微，充电以后，电池的容量连新的 一半也达不到，再放电很快就又枯竭了！但是今天仍然有不少文章，提出这种带有欺骗性的理论与充电产品。 随着科技的发展，电池的技术也不断进步，虽然这种进步比起其他电器来显得过于缓慢。镍镉二次电池已经有很长的历史了，其品种规格比较齐全，但多数为圆筒 形，大小不一，容量不同。这种电池的放电性能比干电池好，内阻比较低，允许大电流放电，但记忆性较强，正常寿命在400 次到1000 次之间。近几年大量开发的镍氢电池具有更大的容量，更低的内阻，更适合大电流放电，记忆特性比镍镉小多了，寿命多在1000 次充放电，价格也不贵多少。所以，镍氢取代镍镉已经 是必然趋势，目前已经很少能够看到镍镉电池有售了。二次锂电池是最新一代高级电池，它具有端电压高，容量最高，内阻特低，性能稳定，寿命长的特点（充放电1000 次以上）。但是它的售价比较高，主要用在高级电器上，如笔记本电脑，手机，掌上电脑，数码相机等等。 电池的记忆特性是这样的，假如你经常让电池放电到还剩一半容量就给它充电，那么日久它的实际容量就会减小。没有记忆特性的电池可以随时为它补充电，它的容 量也不会有任何变化。目前只有锂电池号称是没有记忆特性的电池，但是，实际上任何化学电池都具有一定的记忆特性，如果你经常在它还没有完全放电的情况下为 它补充电，那么它的容量就会越来越小，寿命会大大缩短。经过多次试验，我发现锂电池也一样有记忆特性，只是相比镍镉电池轻了一些。我们在使用电池时，唯一 正确的方法是把电池彻底耗空以后再给它充电，并且采用合理的充电方法为它充电，见下文。

　　二次电池的充满电端电压不同，镍镉与镍氢的标称电压是1.2V ，充满电以后在1.3~1.5V 之间，随着放电很快回落到1.2V ，放空电以后端 电压在1V ！这一点很重要，绝对不能把单节电池的电压放到1V 以下，否则有损于电池寿命。深度的过放电往往会一次性彻底损坏电池，使电池内部短路！因此，大多数高级电器都具备自动关机控制电路，在电池的端电压降到1V 时自动关闭电源，并且不让你再开机，保护电池不被损坏。同理，二次锂电池的端电压为 3.6V ，充满电在4V 左右，放完电在3V ，也不应该让电池放到3V 以下。

　　干电池，镍氢电池和锂电池的放电特性不同，干电池的内阻较大，如果负载较重，电池的端电压会下降较多，而镍氢和锂的内阻就小多了，在大电流放电 状态，还能够保持较接近标称的端电压。早期的闪光灯都是按照干电池的这种特性而设计的，一但换上了镍氢电池，工作电流会太大，把电路给烧掉了，所以，我们 应该注意阅读说明书，看某种电器是否允许使用充电池。另外，干电池的放电特性比较差，其端电压会随着放电的进程逐渐下落，比如，新电池电压为1.6V ，放 到1/10 寿命变为1.49V ，放到3/10 寿命下降为1.4V ，放到5/10 寿命，在下降为1.3V ，放到9/10 寿命，端电压就变为1.15V 了。整 个过程的电压变化很大。而氢镍和锂的特性就好得多了，整个放电过程端电压始终平稳，直到快要放电到一次寿命的终结时，电压才迅速下降，很快降到1V ，结束 周期。 有很多朋友询问关于电池充电的问题，我想在这里尽量帮助大家解答。二次电池的充电是采用直流电给电池“ 灌入” 电能，其原理就是所谓的化学逆反应。但是，放电的能量与充电的能量不会一至，也就是说，充电的能量应该比放电的能量大1.4 倍！！！举个例子说，1000mAh 的电池应该用1400mAh 的电量为它 充电一小时才能充满，这并不违背能量守恒定理，因为充电时有约40% 的能量变为热量散发了。标准的充电方法是使用0.1 倍容量数的电流给电池充14 小时。 比如，还是1000mAh 的电池，我用100mA 电流给它充14 个小时。这种充电方法可以保证电池被充满，而且电池温升不会太大（感觉不出来），充好的电 池容量充足，电池寿命也达到最长。但是，这种充电的时间太长了，在使用上很不方便，所以，新式的充电器都设计了快速充电的电路，采用较大的电流给电池充 电，比如用700mA 电流给1000mAh 的电池充2 小时，这样，使用起来快速方便，但充电时电池会很热，不仅充得不够饱满，而且电池的寿命也会受到较大 的影响！（比如本来1000 次的寿命变成了400 次甚至更短）。现在更有1 小时，几十分钟的快速充电器，对电池的寿命危害较大。所以，很多朋友以为快速充 电器是好东西，大错而特错了！采用0.2~0.3 倍容量数的电流给电池充电，效果还是较好的，与标准充电比较接近，时间却缩短了一半或以上。

　　电池充电的电流比较有讲究，如果采用稳定的直流电流给电池充电，电极的极化作用很强，很快使电极上覆盖一层化学物质，隔绝了其与电解液的接触， 使充电效率下降，经过多次充电以后，电极越来越失效，最后电池被充死。有关技术人员在这方面也作过多次试验，采用半波整流的直流电给电池充电，电池的内耗 比较大，产生的热量较大，也会影响充电的质量，缩短电池的寿命。比较好的充电波形是一定频率的方波，这种波形可以抑制极化现象，保持电池的活力，充满标称 容量，达到标称寿命。但是，方波的占空比要有一个设计，使停充时间尽量短，避免充电的效率下降太多，时间延长。最理想的充电方式是在约10 年前由美国的一 家公司开发的，它采用9/10 周期的恒流充电，1/10 周期的停止充电，并在这个停止期间插入了一个电流很大的（2.5 倍容量数），时间极短的（3ms ） 放电刺脉冲，这个脉冲把极化作用给彻底破坏了，使电极保持新鲜，充电容量充足，甚至能使旧电池恢复一些容量！ 电池的充电控制有各种方法。第一种是端电压控制法，也就是说，当把电池的端电压充到一定数值时就自动切断电源，或转为涓流充电（一般用较大的电流快充，接 近达到容量时转为小电流慢充，以改进充电效果，叫涓流）。这种方法不太科学，因为每种规格的电池充满电以后的端电压不尽相同，所以可能会造成过充或欠充。 第二种是定时法，也就是达到定时值以后自动转换状态。如果你每次都将电池用到100% 容量再给它充电，这种方法就可以充得很饱满，而且不会过充，在电路上 也比较容易实现。第三种是热量检测法，如果充电电流设计得比较大，那么电池在充电的末期会开始发热，尤其是过了标准充电周期以后的发热会急剧增加，这时安 装在电池边上的感温元件就会发出信号，控制电路转换状态。该法的缺点是，必须采用较大的充电电流才能产生明显的发热，否则控制不够灵敏，还会受到环境温度 的影响。尤其是，充电发热过高，很伤电池寿命。在电池发热时，实际上就已经处于过充电状态了！还有一种比较先进的方法，负增量法。当电池充电到达满容量 时，其端电压会由逐步增高忽然变为下降一个微小值，这是二次电池的特性，在大电流充电时，这各负增量就变得比较明显。采用专门设计的电路来捕捉这个负增 量，转而控制充电器是一个非常高级的设计。其优点是不会造成电池过充或欠充，也不必讲究电池必须用完才能充电，而可以随时补充电。但是，其一，负增量仅在 大电流充电时才比较明显，如我们所知，大电流不是理想的充电方式。其二，每种电池的负增量不同，对它的检测也不太稳定，如果检测不到，电池就会被过充，使 之损坏或爆炸，因此这种充电器一般还被同时辅以热检测双重控制。其三，检测负增量必须针对单节电池，如果针对串联电池，由于达到负增量的时间不同，正/ 负 增量会相互抵消，使检测失败。因此，必须把电池从用电器中取出，分别装入特殊设计的电池夹才能充电，给使用带来了不便。其四，负增量检测电路复杂，专门的 芯片也比较少见，价格昂贵，使充电器的成本增加。目前只有极少数的高级充电器采用这种结构。

　　最后说说目前的充电器产品。非常遗憾，现在的产品充电器有50% 以上都是不合格的（我的观点）！！！许多很高级的电器，象随身听，手机，它们所 佩戴的充电器没有任何自动停止充电控制，更谈不上波形变换电路了！我研究过大量这样的充电器，内部多是一个变压器，一个电阻，加一个二极管，也就是我上面 所说的半波整流充电，充电多少时间你自己掌握（对了，我忘记说明了，对于小电流充电，过充造成的损害远远比大电流充电过充的损害要轻），但谁能准确地记得 充电时间呢？这样，过充欠充是家常便饭，正常充电的效果也不好。许多手机充电器看似电路复杂，实际上那都是开关电源变换电路，根本没有自动停充控制，效果 也一样。设计比较理想的充电器往往都是市上单独出售的比较贵价的产品，都带有某种控制电路。为此，我历经多年设计与试验，最后成功的作品发表在“ 电子制 作” 杂志上，我自认为它的优点远远多余其他大多数产品。

很多朋友都问关于充电的问题，看了我的文章你就清楚了，充电时间的计算很简单，用万用表的直流电流档测一下充电电流，然后用电池的容量乘以 1.4 倍，再除这个电流就是充电时间。但是半波整流电流值的测算比较麻烦，不能用电表直接测量，需要用试波器，还得经过计算才行，但如果你的充电器是半波 的，也没有停充控制，我劝你还是把它扔了吧，再买一个高级的产品，别把昂贵的电池（锂电池）给充坏了。

二， 使用电脑的USB 接口给手机MP3 等充电

1， USB 2.0

目前台式机和笔记本使用的usb 接口都是2.0 版本的，USB2.0 的电压为5V ，电流为500MA 。USB 2.0 的理论传输速率为480Mbps ，要正确的理解这个数字，首先需要明确bit 与byte 这两个单位的意义。Bit 和byte 同译为‘ 比特’ ，其中 bit ＝位，而byte ＝字节、是8 位元组，两者之间的换算为1byte ＝8bits 。了解了以上概念，就知道Mbps ＝mega bits per second （兆位/ 秒）是速率单位，而MB ＝mega bytes （兆字节）是量单位，1MB/S( 兆字节/ 秒) ＝8MBPS （兆位/ 秒）。因此USB 2.0 的传输速率就是60MB/S 。

 

 

 

2， USB 3.0

USB 3.0 标准，也被称作是超高速 USB （SuperSpeed USB ），在一些特性上是独一无二的。它使用5 个端口连线 - 两个用于发送，两个用于接收，一个是地线 - 来实现全双工 从而达到5 Gb/s 的物理层速率，目前的USB 产品采用两线，半双工的架构。 外观上Type-A 的接头没有改变，但内部有5 个连线来支持全双工，新的连接器兼容旧的插口。  

 

USB 3.0 在应用层上至少能达到300Mbyte/s 的数据吞吐量。新规范与前代版本兼容，然而新接口需要新的线缆和连接器，而且传输距离被限制在3 米，而目前的USB 产品可以支持5 米长的线缆。另外还将链路电流从500 毫安提高到900 毫安，这样采用USB 充电速度会更快。可以看出一个耗完电的电池接上后不久就可以恢复活力。

   

粗略来说，新的USB 3.0 芯片需要两倍于原来的门数和三倍于以往的功耗，但是，受益于其较高的速率，USB 3.0 在每Gbit 数据传输的功耗低于目前的标准，John 补充道，“ 另外，因为增强的协议，在主机（host ）端处理器运算会得到减轻，从而整个系统的功耗在mW/Gbit 的基础上还会有降低。” 另外，3.0 版本在链路上采用了中断驱动，而不是目前的轮检方法，这样进一步降低功耗。通信采用点对点的链路，而不是像现在对所有连接的器件采用广播数据的方法。