電池與數(shù)字負載

隨著通訊器件從模擬信號轉(zhuǎn)向數(shù)字信號，對電池也提出了新的要求。同模擬收發(fā)機采用穩(wěn)定的電流不同，數(shù)字收發(fā)機要求電池承受短促的尖峰電流；對于具有雙向電波信號功能的通訊設備來說，要求電池內(nèi)阻低；過冷或過熱對于電池的工作性能也有較大影響。

1.內(nèi)部連線、接觸以及保護電路都需要考慮；性能和電池的容量、荷電狀態(tài)以及串聯(lián)連接的電池數(shù)有關
2.自放電在最初的24小時最高，然后逐漸下降，并且隨著電池的使用時間和工作溫度的增加而增加
3.循環(huán)壽命基于放電深度，較淺的放電深度比深度放電具有較高的循環(huán)使用壽命
4.循環(huán)壽命基于維護過程，如果沒有周期性的放電那么電池的循環(huán)壽命可能會下降1/3盡管鎳氫和鋰離子電池在蜂窩電話和筆記本電腦中具有最好的性能，但是鎳氫電池在雙向電波信號應用中的性能卻沒有得到體現(xiàn)，預期使用壽命下降。

圖 1  NiCd, NiMH 和 Li-ion電池能量密度、內(nèi)阻、自放電和循環(huán)使用壽命特性

適合數(shù)字式雙向電波應用的電池
當今電池的研究主要集中在鋰離子電池系統(tǒng)，在圖1中，對鎳鎘、鎳氫鋰離子電池的能量密度和內(nèi)阻的關系進行了比較。為了達到鎳基電池的預期壽命，要求對其進行周期性放電以進行維護。
鎳鎘電池和鎳氫電池為了避免記憶性，需要周期性的進行放電維護。而且對于NiCd電池使用記憶性很可能不恰當，因為現(xiàn)在這種電池基本都避免了這種現(xiàn)象。
鋰離子電池屬于低維護型，具有其它電池所不具有的很多優(yōu)良性能。不需預定的過程來延長電池的使用壽命，和相同容量的電池比起來，鋰離子電池的質(zhì)量較輕而存儲的能量最大。其缺點是易碎，需要一個保護電路，充放電電流較小，而且成本也較高，其使用壽命為兩三年。一般來說，保持電池在中等溫度下可以延長電池的使用壽命。目前電池廠家都正在提高電池的壽命，安全問題以期未來得到解決。
  數(shù)字收發(fā)機所需的總體能量比模擬收發(fā)機所需的低，但是數(shù)字收發(fā)機設備使用的電池需要承受較高的峰值電流，通常為電池額定值很多倍。對于由1000mAh電池供電的數(shù)字收發(fā)機來說，峰值電流可達3A，要求電池提供高達3C的放電率。對于內(nèi)阻低的電池來說，3C的放電率完全可以接受的，然而由于電池內(nèi)阻隨使用時間而增加,所以電池在使用一段時間后很可能就會有問題。通過使用較大容量的電池可以改善電池的性能，即使用電池組。通過電池的并聯(lián)可得到較大容量的電池，如2000mAh的電池和標準的1000mAh電池比起來，容量幾乎增加一倍，就C率而言，3C的放電率降低到1.5C。

圖2  鎳鎘電池在GSM負載程序下，以1C、2C、3C放電和通話時間關系曲線。測試電池的容量為113％額定容量，內(nèi)阻為155mW

圖3  鎳氫電池在GSM負載程序下，以1C、2C、3C放電和通話時間關系曲線。測試電池的容量為103％額定容量，內(nèi)阻為778mW

圖4  Li-ion電池在GSM負載程序下，以1C、2C、3C放電和通話時間關系曲線。測試電池的容量為94％額定容量，內(nèi)阻為320mW

測試狀態(tài)好的電池不能在數(shù)字設備中工作的原因
為了找到最適合通訊器件使用的電池系統(tǒng)，Cadex Electronics對鎳鎘、鎳氫和鋰離子以不同放電率進行了測試，對于使用了一段時間的電池來說，經(jīng)過電池分析儀分析可知電池的容量狀態(tài)良好，其中電池分析儀相當于中等狀況的負載。當對電池進行較高的放電率放電時，或者把電池安裝到數(shù)字收發(fā)機中使用時，發(fā)現(xiàn)電池的性能大大下降。其原因就是電池的內(nèi)阻較高，對性能表現(xiàn)正常的電池進行測量可得鎳鎘電池的內(nèi)阻為155 mW，鎳氫電池較高為778 mW，鋰離子電池居中為320 mW；且相應電池的容量分別為額定容量的113%,、107% 和 94%。
從圖2、圖、3圖4可以看出，通話時間和電池的內(nèi)阻直接相關。在相同的條件下，鎳鎘電池以3C放電時的性能最好，通話時間可達120分鐘；而鎳氫電池僅在1C的情況下表現(xiàn)良好，當放電率達到3C時電池將被損壞；而鋰離子電池以3C放電時的通話時間僅為50分鐘。盡管這些電池的測試是在GSM系統(tǒng)上實現(xiàn)的，但是對于各種新型的數(shù)字信號通訊系統(tǒng)來說，測試結(jié)果基本一致。 

電池性能的測量
對電池進行完全放電來測量電池的性能是可靠的，但整個測量過程較慢。另外，在數(shù)字信號設備中，使用穩(wěn)定的電流來對電池進行放電并不能充分獲得電池的性能。在過去幾年，開發(fā)出各種各樣的測試儀器來測量電池內(nèi)阻。盡管這種方法很快，但是內(nèi)阻判斷法所得的結(jié)果往往和電池的容量值矛盾，因此預測電池的性能也就變得不可靠，
  Cadex Electronics研發(fā)出QuickTest方法來測量電池的SoH。對于雙向電波設備、蜂窩電話、筆記本、掃描儀、醫(yī)療設備、數(shù)碼相機等所用的電池，僅需3分鐘既可獲得電池性能。QuickTest采用了一種獨特的推斷算法從大量的變量中獲得所需的電池性能數(shù)據(jù)，可以評價電池的容量、內(nèi)阻、自放電、充電接收率、放電能力以及電解液的遷移能力，然后把這些變量結(jié)合得出一個量稱為SoH。QuickTest軟件嵌入在Cadex C7200 和C7400電池分析儀中，可以分析鎳基、鋰基和鉛基電池。用戶可對分析儀編程，實現(xiàn)初始化、反復的快速充電，壽命測試以及泵升功能。
QuickTest充分利用了分析儀的自學習過程來獲得電池特殊矩陣，并且這種自學習過程具有很強的適應性。電池的特殊矩陣存儲在虛擬的電池中，并自動配置參數(shù)來調(diào)整電池設置。電池適配器在購買時通常包括QuickTest矩陣，如果初始矩陣被改變了，那么使用者通過掃描一種良好的電池即可得到QuickTest矩陣，同時代碼可以復制到其他的電池適配器，可以擦除以及重新輸入。QuickTest要求的荷電水平通常為20~90％，如果超出這個范圍，分析儀將自動對電池進行充電或者放電。

結(jié)語
手持通訊設備和電池密切相關，但是直到現(xiàn)在，電池在使用過程中的性能變化仍然很大，尤其是電池組在使用一段時間后變得更為嚴重。但在目前的應用中，仍然沒有找到一種可替代的技術來代替這種變化復雜的電化學電池。
盡管電池的性能在不斷地提高，但是最為關鍵的仍然是對電池進行維護，鎳基電池的維護包括周期性的放電以消除記憶性，而鋰基電池的免維護性大大方便了電池性能的快速測量。

作者簡介：Isidor Buchmann先生是Cadex Electronics Inc的創(chuàng)立者和CEO，他在通訊領域、電池應用領域具有20多年的實際經(jīng)驗，曾在世界范圍內(nèi)發(fā)表大量有關電池的著作和論文并獲獎。■