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ink3707

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發表於 2012-1-13 14:32 | 只看該作者

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智慧手機的基本觀念其一 – 電池及充電

打工, 工程, 如何

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1.5Ah*3.7V(Nominal Votage) = 5.55Wh。(1A = 1000mA)

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。

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發表於 2012-1-13 14:33 | 只看該作者

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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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cowbagan8

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恩恩

因電池為記憶性
必須有充足的充放電
才能保持電池的保養

其他方面倒不是很了解感謝學長的分享

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Joji35

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我是覺得手機電池可以增加電力的
感覺上業者好像沒有想要朝這塊發展
我是埃鳳使用者每次出門在外一整天回到家後電力往往剩下步道10%><
還要隨身攜帶行動電源才不怕沒電><
真希望業者可以改進

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leochen

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發表於 2012-1-13 17:46 | 只看該作者

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回覆 2# ink3707

　感謝墨哥分享詳盡的分享實用知識

　真的受用無窮！

　難怪之前開車時

　電壓表從高速行進間的１４Ｖ

　到怠速的１２．５Ｖ變化這麼大

　另外還有一個小小問題

　墨哥您說裡聚合物電池

　充電時是靠電壓差的方式

　那若是我用合格的充電器(輸出電壓上限為電池充飽電壓)

　這樣使否就不會發生過充的現象？

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ink3707