手机充电

对手机进行充电,即对手机里面的可充电电池进行充电是所有手机必须面临的共同话题.
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何为充电:
对可充电电池来讲,电池放电和电池充电是一个可逆反应
放电就是正极获得电子,负极失去电子,电流从电池负极流到正极这样一个过程.
充电就是负极获得电子,正极失去电子,电流从电池正极流到负极这样一个过程.
所以充电过程就是对电池施加一个电流这个动作.
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功能划分:
电流从何而来,这个问题按照目前中国民用的常规的做法就是220V的交流电了.
显然充电电池是直流电源,要是220V的交流电为充电电池所用,必须进行转换和控制.那么按照各个环节的功能进行划分的话,整个充电回路包括三个部分.
1.交流直流转换(AC to DC)----以下简称A部分
A部分要完成的任务就是把220V的交流电变成直流电,并且要把220V的电压降到相当低的一个水平,以便于下面这个部分进行工作,一 般其直流电压范围在4~15V之间.其中变压器是必不可少的.它可以实现降压过程和高压隔离,然后就是整流电路.通过变压器和整流电路达到交流变直流,高 压变低压的目的.其实他没有充电的控制能力,所以成为电源适配器(AC/DC adaptor)比较合理.
2.直流充电控制和管理(charge control)----以下简称B部分
任何化学反应都有容量的限制,充电电池也不例外,一定体积的电池所能接受的电量是有限的,而且随着充电的进行,如果没有控制,就会在末期发生不良的反应, 导致电池失效甚至爆炸等情况.所以电池的充电必须受到一定的控制.每种不同化学体系的充电电池,其终止充电的方式或充电管理方式是不尽相同的.与我们手机 有关的目前就是镍基电池和锂离子电池这两种类别.
镍基电池采用恒流充电模式,锂离子电池采用先恒流后恒压模式.
关于两者的充电方法和终止条件,详细见我的玩家宝典文章"论手机充电电池的充电时间(2002-06-21)"
在以下的讨论里面,关于锂离子电池的充电方式会得到进一步的扩展.
3.电池(battery pack)---以下简称C部分
这个部分就是充电的对象了,电池.但是这个里面并不仅仅包括电池芯,还包括了一定的保护线路和外壳包装.一般用户是不能把这些保护线路和包装与电池芯进行分离操作的.特别是锂离子电池,他配备有一套完整的保护装置.
要完成一个完整的充电过程,以上三个部分一个都不能少,当然还必须有一个220V的插座.
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充电器类型
功能划分完毕后,就先简单讨论一下大家经常讨论的充电器的类型.
1.电源适配器(adaptor)
大部分手机里面已经内置了充电控制和管理(B)部分,只要装上电池,那么一个手机就是B和C的集合了.要完成充电还缺少A部分---电源适配器.
就是大家经常叫的线充,直充.其实它完成的只是充电里面的A部分功能,交流直流转换和降压工作.
一般电源适配器有两种规格.
工频变压器加整流管,其变压器的工作频率是50Hz,采用的是铁芯材料,体积庞大,重量十足.俗称铁牛.
开关电源,其变压器工作频率在20KHz,采用陶瓷材料,体积小巧,又很轻,俗称电子牛.
2.充电器(charger)
能进行交流直流转换,并且能够进行充电管理的这个一个东西才真正意义的符合充电器的定义,即A+B
蛋充就完全符合这个定义,可以成为充电器.
配备了电源适配器的座充,也是一个充电器.
因为,只要往他们里面放上C电池,充电过程就开始了,并且是受控的.
另外,现在的手机世界已经出现了充电管理放置在手机外部的手机设计,特别是许多CDMA手机(韩国居多),他们往往采用开关电源设计,但是其输出部分已经 加上了充电管理和控制,可以单独的对手机电池进行充电.虽然充电的时候还需要插到手机里面,但是整个充电过程跟手机的其它部分完全没有任何关系.仅仅是与 电池连接而已.
3.旅充(travel charger)
非常模糊的一个定义,"旅"就意为着轻便."充"意味着可以进行充电管理.
其正确定义是A+B+轻巧易携
座充无疑绝对不是.
铁牛太重,携带不方便,也不是.
蛋充无疑符合要求.
电子牛因为体积轻巧,而B部分一般手机都是自带的,所以也成为了旅充.
那些自带充电管理的CDMA充电器就跟不用说了.
以上对这些定义如此咬文嚼字,只是为了辅助说明充电的过程而已,平时大家习惯怎么叫都行.
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锂离子电池的充电
下面重点介绍一下锂离子电池的充电,绝大多数的中国手机,已经用上了锂离子电池.锂离子电池因为其高体积能量比,低维护等特性深受广大中国老百姓的喜爱.
关于锂离子电池要提到的一点就是,金属壳的液态锂离子电池(即常规锂离子电池)和聚合物的锂离子电池(锂聚合物电池)都属于锂离子电池的范畴.他们的电化学特性相近,充电机理相同.
对于锂离子电池的充电管理,有两个非常重要的参数要进行控制和管理,电流和电压.
对电流的要求就是限流,充电时最大电流不超过电池本身容量的1.5个倍率.通常快速充电都取0.5~1个倍率比较合适.比如对一节600mAh的锂离子电池充电,其充电过程中最大的连续充电电流不要超过600*1.5=900mA.一般都取300mA~600mA.
还有一个参数是电压,充电过程中,要控制电池电压不要超过这个充电限制电压.限制的绝大多数锂离子电池其充电限制电压是4.20V.
检测锂离子电池充饱与否的唯一最终的方法就是测试在不充电(也不放电)状态时的锂离子电池的电压.
根据到达锂离子电池的充电限制电压的方式进行区分,充电管理有三种类型
1.常规恒流恒压式(CC/CV mode)
这个大家都非常熟悉,简单讲就是首先用一个恒定的电流对锂离子电池进行充电,在电池电压达到4.20V时(记住此时的4.2V是有电流的),维持电压不变,逐渐减小电流,当电流小于一定值时(比如0.01倍率的电流),充电结束.
所谓恒压阶段电流减小其真正的目的就是逐渐减小在电池内阻上因充电电流而产生的附加电压,当电流小到0.01C,比如6mA,这个电流乘与电池内阻(一般在200毫欧之内)仅为1mV,可以认为这时的电压就是无电流状态的电池电压.
2.伪过充式(pseudo-overcharge mode)
如上所述,电池处于充电态,其表面测到的电压并不等于电池的真正电压,这个电压里面已经叠加了充电电流在电池内阻上的压降.根据这个特征改进常规恒流恒压式充电方法.就出现了伪过充式充电.
前半部分还是恒流充电,但是当电池电压到达4.20V时,并不减小电流,而是继续充电,此时电池电压继续升高,等到了一定的电压(这个电压与充电电流有一 定的对应关系)后,比如4.26V才逐渐降低电流.虽然表面上看,这个电池已经过充了,实际上随着电流的减小,电池的电压也逐渐的回落,等到电流小到一定 大小,电池的电压正好回到了4.20V.
采用这个方法可以大大缩短前面第一种常规恒压阶段的充电时间.
3.脉冲式(pulse mode)
有别与常规的恒流恒压方式,这一种充电方式是限流式(不知怎么确切表示,美信maxim称之为歇斯底里式,也叫脉冲式),它的整个充电 过程不检测和调整电流(因为充电器已经限制了充电电流),只是检测电池电压,当电池电压不到4.2V时,全速充电(充电器的输出直接由开关管导通后加在电 池上),一旦电池电压达到4.2V时,采用关断电路再开通电路的方式(这个频率大概是0.5Hz左右,所以称为脉冲式),通过改变这个脉冲的占空比来变相 的达到控制平均电流的目的.
有电流的电压是虚的电池电压,其中包括了电流在电池内阻上的压差.而在关断电流的时候检测电池电压,这个时候才反应了锂离子电池的真实电压,当检测到这个电压到了4.2V时,充电结束.
很明显,在脉冲阶段,有电流的时候,电池电压会(肯定)超过4.2V,这个电压根据电池内阻和充电电流而定,有可能到4.40V也很正常.但是暂时(比如 0.2秒)的过充不会对电池造成什么损伤,也不会触发保护线路动作(现在的保护线路过充检测延时参数起码是250ms以上).所以不会有不良后果.
这种脉冲充电方式对充电器(直充)的要求是,就是限流,输入电压可以很宽.而它的优势就是手机充电几乎没有热量发生.还有直充可以设计的很便宜(一个工频变压器加一个整流桥),Nokia的手机都是用这种方式充电的,波导的许多手机也是如此.
在对可充电的电池进行大电流充电的时候,往往会在电极上产生极化,严重的极化会导致充电效率降低(反应在恒压阶段大大延长).消除极化有两种方式.
自然消除极化,在充电过充中,规律的停顿一段时间.让电极重复恢复.脉冲式的充电方式其实就是自然消除极化的应用.
强迫消除极化,在充电的间隔,强行对电池放电,当然这个放电电流不大,其占有时间也非常短.比如以10秒为一个周期,用600mA的电流充电9秒钟,停顿 0.5秒,再用100mA的电流放电0.5秒.这样就可以大大消除电池极化.而且采用强迫消除极化的充电方法后,可以大大的提高充电的电流.在一般的锂离 子电池上甚至可以用3C这样的倍率进行充电.充电时间更是缩短到20分钟即可完全充饱电池.