智慧手機的基本觀念:電池及充電

‧本文由 活得精彩 分享 ‧ 2012-01-17 ‧ 顯示 53,894 次 ‧ 轉寄 6 次 ‧ 短評 0 篇 ‧
對手機來說,電池一直都是一個重要的配件。到了智慧型手機時代,手機耗電大幅提升,電池科技卻沒有跟上,如何善用電池及延長它的壽命,變成大家急欲尋求的解答。

有時候越是流行的東西,在網路上,反而會充斥太多似是而非的文章。專業人士忙著賺錢,也懶得去和一般人解釋。

推文回答推久了會有點煩,所以雖然我不是EE背景,就讓我這個在手機廠打工的工程師班門弄斧一下吧。

一、原理:
太深的東西這邊就不提了,但是還是來輕描淡寫一下。

首先,在2012年的現在,基本上所有的手機所使用的都是鋰離子電池,其中絕大多數使用鋰聚合物。(一般我們說鋰電其實並不精確,因為嚴格來說鋰電是指一次性的鋰電池,不過…就算了吧)

其原理,簡而言之,就是靠鋰離子在正負極之間的移動來工作。放電時,鋰離子離開負極,進入正極,產生電流。充電時,由於我們外流加上的電池,強制鋰離子反向移動,從正極移到負極,還原成可以再度放電的狀態。

二、電壓:
和一般人直觀的想法可能稍有不同,和插頭或電源供應器不一樣,基本上只要是電池,其電壓並不會是固定的,它必定隨著不斷放電,而造成從最高電壓慢慢的降低,直到無法再提供足夠的電壓和電流。

手機用的鋰離子電池,其工作範定義為3.2V~4.2V。基本上不管電池上標示3.7V,3.8V,4.2V,實際上手機電池在電壓上並沒有什麼區 別。下次看到同廠牌,標示不同電壓的手機電池(ex. EVO 3D & Sensation),只要容量相差不遠,接頭相同,事實上應該都是可交換的。

如果標示4.2V,意味是標示鋰離子電池的最高電壓。如果標示3.7V或3.8V,則代表它標示的是所謂的名義(Nominal)電壓。大多數充電 電池標示的電壓都是所謂名義電壓,例如說AA鎳氫電池的1.2,汽車鉛酸電池的12V,還有鋰離子電池的3.7V。這個名義電壓主要的用途是用來計算電力 的,對於放電曲線是接近線性的充電電池來說,這是它的中點電壓。

3.7V剛好是3.2V和4.2V的中點。所以同理,AA鎳氫工作電壓約為1.0V-1.4V,汽車鉛酸電池約為10V-14V。

鋰離子電池是絕對禁止過充和過放的,一旦充電超過4.2V,會使得電池產生不可逆的結晶體,減少其壽命和電量。其狀況嚴重者,也就是平常看到電池脹大的狀況。此時,最好是停止使用此顆電池,因為結晶若刺穿電池的薄膜,會有短路、燒毀、甚至爆炸的危險性存在。

而放電到低於3.0V的時候,同樣會對電池造成不可恢復的損害,大幅降低電池的可用電量及壽命。

三、電量:
電池的電量大多是以mAh或Wh來標示的。顧名思義就是mA(毫安培)xh(小時)或Watt(瓦特)xh(小時)。

這個容量怎麼計算的呢?其實就是電流和時間的積分。
如果一顆鋰離子電池,以50mA放電可以使用30個小時,那麼這個電池的電量為50mA x 30h = 1500mAh,換算成Wh就是1.5mAh*3.7V(Nominal Votage) = 5.55Wh。

過去在feature phone的時代,多半以電池目前的電壓,加上放電曲線,來推估電池剩餘的百分比。不過這有一個問題就是,因為電壓根據溫度還有目前充/放電的情形不同,上下跳動的程度非常大,所以也就非常地不準。

再者,電池有老化的問題,電量是會隨時間遞減的。所以現代的手機會在電池上(ex. HTC)或手機上(ex. Sony Ericsson),放置一顆Gauge IC(流量統計及充電控制IC)。當你充電或放電時,這顆IC會統計流經的電流量,以便提供更精確穩定的電量數據。

四、壽命:
通常以充放次數(cycle)來計算。

一般而言,如果一顆電池宣稱它有500次充放的壽命,代表它經過500個"cycle"之後,還能儲存到原本一半以上的電量。

所謂的cycle,並不是說你拿去充電一次就算一次,而是以完全充放一次來計算。以手機為例,就是從4.2V,用到3.2V,然後再充到4.2V,這樣算是一次(1 cycle)。

也就是說,如果你今天用到50%,再拿回去充到100%,只進行了一半的循環,那這樣並不算一次,而只是0.5個cycle。

鋰離子電池電敢號稱自己無記憶效應,只要不要過充和過放,長充長放和短充短放,對壽命的影響差異甚微。

五、充電:
有別於鉛酸及鎳氫都會提高至16V/1.6V,超過其工作電壓的高壓來提高充電速度,由於鋰離子電池是不可過充的,所以一般都是固定用4.2V去供電。

至於充電的來源,現在主流都是USB充電,所以可以用電腦的USB搭配傳輸線,或用AC(插座)轉USB的旅充來充電。外部的5V直流,經過充電電路降壓至4.2V後,再對電池充電。

很多人搞不懂充電電流的意義,基本上充電電流要分成三個部份來看。

1. 來源的電流:如果用電腦USB充電,其電流限制為500mA,這是USB的規範。如果是AC轉5V,通常看到的種類有500mA, 1000mA, 2000mA三種。

2. 充電電路的限流:傳統上鋰離子安全的充電電流為1C。也就是說,如果1500mAh的電池,安全充電電流 上限為1.5A。因此,不能有多少就吃多少,必須在供電電路上限流。以小型的feature phone,電池約在700-900mAh,通常限流為500mA。目前主流的smart phone,其容量為1200mAh至1900mAh,廠商一般將手機端限流定在1A。而平板電腦,例如說iPad等,其電池至少為 3000~4000mAh起跳,所以一般限流為2A。

3. 壓差:固定4.2V的充電方式,自然而然產生了「先快後慢」的充電效果。充電端加上4.2V,0%時 4.2V和3.2V壓差很大,電流自然就可以很大。等充了到一定成數之後,電壓差越來越少,電流自然就會往下慢慢掉。最後等到電壓電壓達到4.2V,無電 位差的情形自然充電電流就成為0,電池也就充飽了。

六、充電器和充電線的選擇:
因為這是比較大的問題,所以特地獨立一段出來。

一言以蔽之,就是要選擇品質穩定、電流充足的充電器。由於前段所述,充電電路會有限制的關係,所以使用規格超過原廠電流的充電器是沒有關係的。

就算拿平板電腦用的旅充來充手機,手機充其量也只會用1A的速度來充電。而且事實上,由於平板電腦用的旅充工作電流更大,如果不計較大小,它的電流電壓穩定度、以及效率還可能會比一般手機用的旅充插頭要好。

(當然,如果手機不幸短路、故障燒掉,限流1A還是會比2A燒得慢一點,不過一旦燒掉可能就沒什麼差了。)

一般來說,原廠旅充和原廠線是不會有什麼問題的。如果有必要選擇副廠(不同地方使用或車用)廠品,務必要小心選擇。不符標示的旅充車充,在市面上非常多。貪小便宜的結果,往往是用得很不開心。(參閱前文一文二。)USB線也是一般人容易忽略的地方,由於USB主要的功能是傳輸資訊,事實上很多的USB線,其5V的銅線粗細,並不足以承受1A甚至2A的電流。電阻過大造成充電電流不足事小,如果發熱燒毀造成危險,就絕對是因小失大了!

如何確定電流充足呢?除了觀看電流的程式來監控以外,由前幾段,你應該對電量和充電有一定的概念。以1500mAh的電池,1A充電,再考慮超過 80%~90%時充電速度變慢的情形,大約二個小時左右充飽,是合理的情形,代表電流正常。若充到三小時、甚至四五小時以上,那就很明顯有問題了。

當然,如如果邊充邊用,由於CPU/RAM/螢幕等分走了電流,那自然充電速度就會大幅減少。以現在的手機而言,如果來源只有500mA,你同時使用導航,或玩遊戲,那恐怕會充不太進去,甚至還可能會有越充電越少的情形。

一般來說,除非不得已,是不太建議邊充邊用的,一般來說,一邊充,一邊重度使用(例如玩3D遊戲)將會造成手機急速發熱,影響手機和電池的壽命是一則。很多手機電池超過40~45度時,會自動停止充電來保護電池!

(在不會發熱的情形下稍微輕度使用,倒是無妨,只是這段時間會充得比較慢)

特別要注意的一點!!:手機和平板,為了怕從來源,如電腦,抽取過量的電流,所以必須是它能辨識的充電器, 才會開放1A甚至2A的供電。否則,一般都是固定在500mA最安全的電流量。通常是將USB的D+D-短路(HTC),或加上一定的阻抗使其在特殊的電 壓值(Apple)。故除了選擇品質穩定,電流充足的充電器以外,務必注意手機是否能正確辨識此充電器,否則可能會空有1A或2A的標示規格,你卻只用得 到500mA。

還有一個可能大家都有經驗的東西,就是有時候插上插頭,手機的螢幕就變得很難操作。這是因為電容觸控螢幕對微小的電流雜訊非常敏感,但因為你的旅充 供應的電流雜訊過大,就會造成觸控的反應整個亂掉。基本上是不需要擔心因為這個問題影響手機的壽命,但是的確很討厭。解決之道還是使用穩定的充電器,不過 有些手機若設計不良,電源的電磁幅射隔離不佳,也有可能連原廠充電器也會發生這樣的問題,只是程度差別,那就沒辦法了。

七、FAQ:
一些雜項,用FAQ來呈現好了。

1. 電池怕潮濕和熱嗎?
是的,由於電池都有保護電路等IC電子零件,它是很怕潮濕的。而由於電池充放電是化學反應,過冷和過熱都有可能對電池造成損壞。

過熱的問題,則建議盡量避免在天熱時,長時間使用手機,甚至邊充邊用。
(夏天導航的時候手機都會超熱,很傷…老婆叫我下次幫它做個小傘XD)

2. 為什麼電池上的貼紙變紅了?
現在很多電池都有一張一次性變色泡水指示貼紙,若它變成粉紅色(碰到水或濕氣),那就建議不要繼續使用。

3. 電池為什麼會膨脹?還可以用嗎?
電池裡面因為過度充電而產生了結晶的狀況。請避免使用,以免有短路爆炸的危險。詳細請參閱「二、電壓」。

4. 第一次用要充滿八小時?
錯,這是鎳氫時代的老舊知識。請參考「五、充電」的「壓差」小節,充飽之後電流就是0,不會再充進去,沒必要把它放八小時十二小時。若覺得電池沒有活化到最大電量,使用幾個cycle即可。

5. 用座充會比較好嗎?
錯,這同樣是鎳氫時代的產物。旅充電流較大,座充較小,以前鎳氫電池用大電流充電會減損它的壽命,座充會比較好。鋰離子電池在一般旅充1A=不到0.7C充電下是不會影響什麼壽命的。

目前一般電信行附的座充通常非常非常便宜,電流可能只有350mA。1500/350 = 4.29,充電可能要四、五個小時等到天荒地老不說,如果它的電壓不準(很常發生),難保不會有充不飽(還好)和過充(嚴重!!)的問題。(鎳氫可以超壓充電,過充一小段時間無妨)

6. 把電池用到光是不是對電池很傷?
其實還好。雖然說鋰電放到3.0V以下就會有問題,不過因為正常的電路3.3V或3.2V就會強制斷電,甚至有些手機在無人使用的狀況下,還有3%~5 %的電量就斷電了。況且斷電之後,除非說因為當機無法關閉或機器本身設計有問題而漏電。一般來說,現在的手機關機耗費的電力為微安培等級。就算放著不管,也要很久才會把你的電池放到壞掉。

所以如果一時忘記充電,也不用自己嚇自己,就趕快拿去充電就好了。

7. 有需要關機充電嗎?
邊用邊充是不太好,不過應該不用關機充電那麼偏執。就算關機充電,其實現在的smartphone也是會再做「開機」的動作,只是可能開到bootloader就停住,沒有開到OS。充電的速度和手機耗電的幅度,其實和你手動按電源鍵關閉手機螢幕後相差無幾。

再說,關了機不就接不到電話了。

8. 到底要用到快完再充,還是要常常充飽,電池壽命才長?
參見本文「四、壽命」。其實現在鋰電技術進步,原廠電池的壽命和品質都有一定的保證,怎麼充電其實不是很重要。一定要說的話,由於電池的壽命是cycle數,所以儘量減少手機的耗電才是延長壽命的唯一方法。用越少,就充越少,電池壽命就越長。

所以怎麼充?如果都正常在使用,高興的時候充即可。

9. 電池不用的時候到底怎麼儲存比較好?
一般建議是充到50%~60%後,拔出機器外存放,而後至少每半年檢查一次。
為什麼不充到滿的原因是,電池長期(幾個月)處於滿電的狀況,也可能會有少量結晶化的狀況出現(有夠麻煩,對吧)。如果有正常使用是不需要太擔心這個問題,原廠電池一般結晶化抑劑得都不錯了。

10. 覺得電池的電量百分比很不準?
參閱本文第三段:電池的電量是靠IC記錄後,程式計算而得的。如果很久沒有用到快完再充飽,那有可能它無法反應目前真實的電量。此時將電池充滿、用到光、再充滿(1 full cycle),就可以有校正電量的效果。

不過要注意的事,由於是由程式計算,如果有兩顆以上的電池在更換,通常就必須預期電量一定不準。因為兩顆電池狀況不同,無法得到真實有意義的數字。
(以Sony Ericsson的手機來說,只要一拆電池,系統的流量統計就會直接被清掉。必須經過full cycle後才能校正回來。)

11. 用行動電源好還是兩顆電池好?
這大概是習慣的問題。我個人支持行動電源,除了電量計算較不準的問題外,電池就算不用也會隨時間慢慢老化。現在電池使用壽命都還不錯,一顆電池對很多人就 夠用了,兩顆電池相對來說其實比較不經濟。當然,如果手機非常耗電,常常沒電,無法固定充電,又不想接尿袋,那當然還是要多買一顆電池囉。

12. 原廠電池好貴,副廠電池好嗎?

當然不好。

只要是手機大廠,原廠電池必定有經過一定的認證過程,有比較好的品質保證。

副廠電池的缺點列舉如下:

電量標示灌水:很多來路不明的副廠電池,電量都標假的,電量遠不如原廠。
品質差:許多為中國小廠生廠,除了電量、壽命也差,還容易膨脹。
安全沒有保障:很多來路不明副廠電池,拆開來,看不到任何保護裝置,保護電路也有問題,你敢用嗎?
相容性不明:前面說過,現在的電池上多半有放IC。若像是Sony Ericsson只是單純讀取電壓及溫度的one-wire IC還好。HTC的電池都搭載I2C(一種界面規格)的晶片,若搭配晶片若品質不佳的副廠電池,有可能發生幾種情況:a. 讀不到電池ID,手機拒絕開機。 b. 使用中讀不到電量,強制關機。 c. I2C不穩,影響系統,最糟有可能導致手機當機。(以前也有遇過所謂「相容」的電池,一旦過放電低於3.1V,晶片就當機鎖死的狀況,放入手機無法充電, 必須要直接對正負極強制充電才能救回的狀況。)

若一定要買,就挑口碑比較好的牌子吧。這邊就不幫忙建議了。

13. 手機會自動關機(或任何一種怪怪的),但是只有用副廠電池會,原廠不會?
請參閱問題12。

14. 有些原廠電池賣得比神腦(台哥大、遠傳、etc…)便宜耶,那是什麼?
有些人說是散裝,不無可能,不過事實上,有些價格太離譜了,我覺得比較大的比例根本是騙人的假貨。(我可不是說比較貴的就一定真,基本上我相信的是官方通路。)

在這個連USB隨身碟容量都可以有假的的年代,這種不曉得從哪邊來的「原廠」電池,我是不敢買啦。

如果一定要挑便宜,就真的還不如挑比較有信譽的副廠電池。

15. 為什麼充電的時候觸控會亂跳?
充電電流雜訊對觸控螢幕的干擾。參見本文第六大項的最後一部份。


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