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快充技术的原理及应用

时间:2017/12/27 22:44:32  信息来源:本站原创   点击:0

能在1~5h内使蓄电池达到或接近完全充电状态的一种充电方法。常用于牵引用蓄电池需要在较短时间内恢复完全充电状态时的充电。蓄电池的正常充电耗时约10~20h,如何能快速充电而不损害蓄电池的性能和寿命,是人们关注的热门研究课题。

  电路特点

  1、输出电压设定好后(例如36V),若被充电瓶极板脱落断开,造成某组电池不通,或出现短路,则电瓶端电压[1] 即降低或为零,这时充电器将无输出电流。

  电动车快速充电站

  2、若被充电瓶电压偏离设定电压,如设定电压为36V,误接24V、12V、6V电瓶等,充电器也无输出电流,若设定为24V误接为36V电瓶,由于充电器输出电压低于电瓶电压,因而也不能向电瓶充电。2、充电器两输出端若短路时,由于充电器中可控硅SCR的触发电路不能工作,因而可控硅不导通,输出电流为零。

  3、若使用时误将电瓶正负极接反,则可控硅触发电路反向截止,无触发信号,可控硅不导通,输出电流为零。

  4、采用脉冲充电,有利于延长电瓶寿命。由于低压交流电经全波整流后是脉动直流,只有当其波峰电压大于电瓶电压时,可控硅才会导通,而当脉动直流电压处于波谷区时,可控硅反偏截止,停止向电瓶充电,因而流过电瓶的是脉动直流电。

  5、快速充电,充满自停。由于刚开始充电时电瓶两端电压较低,因而充电电流较大。当电瓶即将充足时(36V电瓶端电压可达44V),由于充电电压越来越接近脉动直流输出电压的波峰值,则充电电流也会越来越小,自动变为涓流充电。当电瓶两端电压被充到整流输出的波峰最大值时,充电过程停止。经试验,三节电动车蓄电池36V(12V/12Ah三节串联),用该充电器只需几个小时即可充满。

  6、电路简单、易于制作,几乎不用维护及维修。

  快充技术的原理及应用

  一般来说手机的电力耗尽,充满电的时间约在3小时以上,其实时间已经不算长了,但若是有急用的人就会觉得这段时间相当漫长,以前的解决方式是随身携带行动电源,在没电时直接接上充电即可;不过现在发展出快充技术,只需要30分钟就能充满一半以上的电量,大幅缩短充电时间。到底何谓快充技术?目前已有哪些快充技术?本篇文章将一一解析快充技术的原理及应用。

  认识手机电池

  在介绍快充技术之前,先来认识一下让手机能正常使用的“电池”,手机电池在众多的电池种类中属于可重复充放电的“锂离子电池”,也被称为“二次电池” ,虽然一般人常将锂离子电池直接以“锂电池”称之,但实际上锂电池指的是不可重复充放电的一次性电池,两者的性质完全不同。

  锂电池(Lithium Battery)以锂金属或锂合金为负极材料并使用非水电解质溶液,由爱迪生所发明,之后人们利用不同的材料去制造出多种电池,也被广泛地应用在电子产品上。锂离子电池(Lithium-ion battery)是靠锂离子在正负极之间的移动来进行充放电,放电时,锂离子离开负极进入正极而产生电流,充电时锂离子则反向移动,从正极进入负极还原成可以再度放电的状态。

  锂离子电池标示的意义

  符合安全标准的锂离子电池一定会在电池上有着清楚的资讯标示,所以使用者也得要对这些标示有基本的了解,才能看懂它们所要表达的意义。在电池上可能会出现的标示有:A(安培)是电流;V(伏特)是电压;W(瓦特)是电功率,由电压与电流的乘积而来;Wh(瓦时)是一个小时内电池可释放出的电量。电池的容量是以Ah(安培小时,简称安时)或mAh(毫安时)来表示,其中的h 是时间,m 代表缩小一千倍的单位,由于手机电池的容量很小,所以用mAh为单位,计算公式为mAh = mA(毫安培)x H(时间)。

  举例来说,一个标示2,000mAh 的电池,电流为200mA,意思就是电池的使用时间约10小时,不过实际上电池有自放电损耗的因素存在,电池存放时间长就会影响使用时间,因此电池用尽的时间若少于标示时间属于正常现象。

  快充技术的原理及应用

  ▲表面标示Lithium 字样的电池为不可充电的锂电池,也就是所谓的一次性电池。

  快充技术的原理及应用

  ▲以图示的电池来说,容量为2,900mAh,电压是3.85V,一个小时可释放出11.2Wh 的电量。

  快充技术的原理及应用

  ▲以这个电池来说,如果想知道它的Wh 是多少,可透过公式Wh = V x mAh / 1000来计算,因此得出7.2V x 1200mAh / 1000 = 8.64Wh。

  手机电池的充电原理

  当手机要负担的工作增加,表示电池的消耗速度也会变快,本来充饱的电池可能出门一趟没多久的时间,电量就只剩下一半,虽然现在的手机电池容量愈做愈大,但还是难以抵挡消耗的速度,更别提要将大容量电池充满电所花费的时间也会成正比延长,急着出门却发现手机电池没充满的情况也相当常见,因此提升手机的充电速度便是最直接的方式。首先来简单说明电池的充电原理,一个电池在正常使用的状况下会耗损电力,这个过程称之为“放电”,放电到一定程度后就得透过充电器为手机“充电”来回复电力。

  电池充电的过程可分成三阶段:小电流充电(Trickle Charge,简称TC)、定电流充电(Constant Current,简称CC)、定电压充电(Constant Voltage,简称CV);因为充电器输出的电压比电池高,故电流会自高电压处流向低电压处,而当电池有过放电现象时,由于电压偏低,因此必须先用小电流充电至一定的电量后再进入定电流充电模式,这样会使电池的电压逐渐上升,升高至一定数值后则转换成定电压充电模式,此时的电流会慢慢变小,最后达到充饱电的状态。

  非技术性的快速充电技巧

  在快速充电技术尚未发展前,其实就可以透过一些小技巧来达到快速充电的效果,虽然跟真正的快速充电技术比起来根本微不足道,但对于有需要的人也算是不无小补。

  1.关机充电:手机在完全没有损耗电量的情况下能够加快电池充满的速度;

  2.关闭不必要的功能:关闭3G、Wi-Fi、GPS 定位、蓝牙等功能,或是禁止一些非必要的耗电程式自动运作,就能节省充电时间;

  3.避免在高温环境下充电:由于热度会降低电池的效能,因此最好在室温状态下进行充电。

  锂离子电池的充电迷思

  Q: 第一次使用的新电池要充电8?12小时后才可以使用?

  A: 早期的镍镉电池和镍氢电池的确需要充电8?12小时后再使用,不过现在的锂离子电池则完全无此必要,就算要把电池充满也只需花费约4小时左右的时间,而电池出厂时都已带有些许电量,若想把这些电量用至一定程度再进行充电亦可。

  Q:电池必须用到完全没电才可以充电?

  A: 之所以有这样的认知是来自于镍镉电池和镍氢电池,这两种充电电池在电力尚未完全用完就进行充电时会产生“记忆效应”,使电池的容量暂时减少,连带缩短使用时间,因此这两种电池必须先经过放电才能再次充电。但锂离子电池没有记忆效应的问题,任何时候都可以充电,若过度放电反而会对电池造成损害,缩短电池寿命。

  Q:电池充满后继续充电会对电池造成损害?

  A: 当手机充完电后继续接着充电器,此时的手机是经由电源直接供电,减少了电池的充电次数反而有利于延长电池寿命,但如果是接着电源玩游戏、讲电话,就有可能会因此导致手机过热而对电池造成影响。

  快充技术的原理及应用

  ▲iphoness 在电量低于20%时,会跳出视窗提醒使用者该充电了,因为电量过低会损害手机电池。

  如何实现快速充电?

  充电器输出的“电压”与“电流”是决定充电效率的两大关键,每款手机充电器一定都会标示这两个资讯的数据,最常见的组合为“5V/1A”与“5V/2A ”,两者相乘得出的数值就是额定输出功率(充电器可正常且持续运作时的功率),在电池容量不变的情况下,输出功率愈大,充电的速度就会愈快,因此要实现快速充电的方式有三种:其一是电流不变,提升电压、其二为电压不变,提高电流,最后则是电压、电流均提高。

  这是否代表只要使用输出功率较高的非原厂充电器来充电就能达到快速充电的效果呢?其实这个说法是成立的,但这么做有可能会因为功率过高使得电池负荷过度,导致手机电池损坏,甚至使手机过热而烧坏;不过若在安全的负载范围内更换额定功率更高的充电器,的确是一种实现快速充电的方式。

  快充技术的原理及应用

  快速充电会在前面的数分钟或数十分钟充入大部分电量,之后的充电效率就会明显下降,但与标准充电方式相比,还是能节省不少时间。

  快速充电的效果

  前面提过电池充电的三个阶段,不过实际上小电流充电的模式只会存在电池有过放电现象时,所以正常的充电过程主要是定电流和定电压模式,而快速充电是缩短定电流充电的时间,定电压的充电时间则不变,也就是说电池容量的前70%?80%可以提升充电速度,但剩下的部分只能透过慢慢变小的电流去充电。

  这也就是为什么快速充电技术往往强调在前面短短的数分钟或数十分钟内藉由增大电流或电压来充入大部分电量,因为之后的充电效果其实就与一般的标准充电器差异不大,故可得出一个结论:当手机电池的电量极低时才能够充分展现快速充电的优点,若电池本身有至少五成以上的电量,使用快速充电的效果会与一般充电差不多。

  快充技术的原理及应用

  ▲充电器上都会清楚标示电压与电流的数据,图示为电压5V、电流1.5A 的充电器。

  快充技术的原理及应用

  ▲想知道电池的实际电压与电流数值,可以购买市面上的USB测试工具来进行检测。

  高通Quick Charge 快充技术

  高通早在数年前就发表了Quick Charge1.0的充电技术,可把充电功率提高至10W,透过5V/2A 的充电器能让充电速度比传统5V/1A的充电速度提升40%,充电时间减少一个小时,这可说是快速充电技术的始祖,所有使用Snapdragon 400晶片的手机几乎都内建Quick Charge 1.0技术。

  新一代Quick Charge 2.0技术的充电功率增加至36W,并支援5V、9V和12V三种电压及最大3A的电流,不仅提高75%的充电速度,也代表它可以适用于多种装置;但要让快速充电发挥作用,不仅装置必须支援Quick Charge 2.0技术,还得搭配特殊的高电压充电器(9V、12V),否则充电效果将和一般充电无异。

  快充技术的原理及应用

  快充技术的原理及应用

  ▲手机和充电器都必须支援快充技术,才能发挥快充效果。

  除了USB 外,QuickCharge 2.0也可以在micro USB、USBtype-c 上使用,并具备向下相容的能力,其内建的IC会判断充电的装置是否支援QuickCharge 2.0,若不支援将自动降至一般的5V 充电,因此不用担心会发生电池损坏或手机过热的危险。目前支援Quick Charge2.0快充技术的手机愈来愈多,也有厂商推出充电器和行动电源等产品,此外可发现三星的Fast Charge 及Asus 的Boost快充技术都有Quick Charge 2.0的影子存在,其应用相当广泛。

  快充技术的原理及应用

  ▲高通发表最新的Quick Charge 3.0快充技术,充电效率大为提升。

  最新发表的第三代快速充电技术QuickCharge 3.0采用“最佳电压智慧协商(INOV)”演算法,可根据装置选择0.6V 到20V 的合适电压来进行充电,将能源转换效率最大化,充电效率也比前一代提升38%,并提供额外的机制去保护电池寿命周期,只要充电35分钟,就能将电池从0%充到80%,大幅缩短充电时间。同时它还向下相容Quick Charge 之前的版本及USBtype-c,提供更多装置超快速的充电体验。详细介绍如下:

  按照高通的说法,在大约 35 分钟内就能将一部传统的手机从 0% 电量充电至 80%。

  这里有两个高通宣传 Quick Charge 3.0 必说的点,一是与 Quick Charge 2.0 相比快速充电速度最高达 27%,减少功率损耗最高达 45%;二是比 Quick Charge 1.0 快 2 倍的充电速度。

  听起来的确令人相当惊讶,不过高通没有宣传电池在充电的后期,实际电力传输效率就会变得低很多,所以虽然快速充电技术可以让你电池充满的时间缩减了 50%,速度更快,但仍然需要一个多小时才能充满电。

  不过,AG8需要注意的是,高通并不是吹嘘充电速度有多快,减少多长时间,重点是“提高充电效率”。为此,高通特别研发了一个特别值得称道的技术,称之为“最佳电压智能协商算法 INOV(Intelligent NegoTIaTIon for OpTImum Voltage) “, 并认为可以优化功率输出,保护电池寿命周期。

  首先是优化功率输出,该算法具体所在的事情就是让便携设备具备选定所需功率电平的能力,以在任意时刻实现最佳功率传输,且最大化效率。例如,Quick Charge 3.0 可实现比 QuickCharge 2.0 最高达 38% 的效率提升。

  再者,在电池充电的周期过程中,INOV 具有能够动态地调整充电电压的功能。当电池充电时,它吸收地电流慢慢地越来越少,这就是为什么最后 20% 的充电时间会比前面 80% 更长的原因。高通指出,只要在符合规定范围的电压,在 INOV 技术的帮助下,手机都能够获得敲到好处的电压以及预期的充电电流。

  动态调整电压的 INOV 技术,自然带来了充电选项方面的灵活性增强。之前 Quick Charge 2.0 支持四种模式以不同的功率电平充电,分别为 5V/2A、9V/2A、12V/1.67A 和 20V 四档充电电压。新的 Quick Charge 3.0 则以 200mV 增量为一档,提供从 3.6V 到 20V 电压的灵活选择。

  总的来说,Quick Charge 3.0 技术重点无非就是大幅减少了充电期间电被浪费的量,”充电效率“成为了该技术的关键词,38% 的效率提升可喜可贺。相比之下,此前充电过程中不少额外的功率无法用于对电池进行充电,流失并导致发热,手机整机的温度也因此升高从而减少了电池的寿命。高通通过对充电销量的更多控制,在一定程度上而最小化电量损失,最大限度地提高充电效率并改善热表现。

  快充技术的原理及应用

  ▲Rapid Charge 充电器提供三种电量和电流输出。

  快充技术的原理及应用

  ▲Asus 的ZenPower Ultra 行动电源提供5V/1A 或9V/2A 的快充模式。

  值得一提的是,高通的Quick Charge 技术交到各家厂商手中,也被修改成不同面貌,像是Motorola的Turbo Charger、HTC的Rapid Charger 2.0、Verus的World Charger、Pure-gear的Wall Charger、Sony的UCH10、Xiaomi的MDY-3-EB等充电器材,其实都是师出同源。另外,像是SAMSUNG的Fast Charge技术也是源自于Qualcomm Quick Charge,再进一步开发,以便能套用在三星自行研发的Exynos处理器上。

  另外,高通公布有支援Quick Charge的名单中有出现使用Intel处理器的Asus Zenfone 2,也就表示华硕所推出的BoostMaster快充技术其实也有应用到Quick Charge 2.0技术。这边稍微提醒一下,相关技术需使用对应指定产品与充电器材才会有快充效果。

  OPPO VOOC 闪充

  AG8知道电池充电分为两个部分,电池电量不太足时低电压的大电流恒流充电,当电池电压升高到接近4.2V时采用恒压小电流充电(电流会逐渐变小),这个一般人都知道。

  OPPO的方案就是把第一种情况电流由1A加到4.5A,多组电池是必须的否则这么大电流扛不住,所以OPPO选择在其大手机上搭配这种技术,因为大手机才可以装上很多电芯,这就是所谓的VOOC 闪充技术。

  快充技术的原理及应用

  它提供了五级防护技术,打造一个安全无虞的充电环境。不过它算是相对封闭的快充技术,主机板、电池、USB连接线与充电器都经过重新设计,因此OPPO 手机、原厂充电器、USB 连接线缺一不可,必须彼此互相搭配才能发挥闪充的效果。

  VOOC 闪充技术在30分钟内就能充满75%的电池电量,目前仅应用于自家多款手机上,另外也推出了闪充行动电源及专用车充。联发科所推出的PumpExpress Plus 快充技术可利用标准USB 充电器以最大输出电压12V 输送高达15W 以上的能量,在30分钟内就能将0%的手机电池充电至75%,达到快速充电的目的。Pump Express Plus 技术将电压控制在5V、7V、9V 和12V 之间,电流则会大于或等于3A,充电效率相当不错,目前此技术已应用在手机上。

  快充技术的原理及应用

  ▲VOOC闪充技术只使用在自家手机上,且必须搭配原厂电池、USB线及充电器才能达到快速充电的效果。

  行内人都明白,常规手机的充电过程,是适配器将220V交流电降压成5V直流电,在手机端通过充电控制电路调整为4.2V左右给电池充电,在电压调控过程中因为功率的损耗会产生发热现象(这也是AG8常说手机充电时候会发热的缘故)。VOOC闪充技术将充电控制电路移植到了充电器,将发热源移植到了适配器,转移手机发热问题。

  另外VOOC闪充的充电器也有专门的芯片,名为MCU芯片,取代传统充电中的充电控制电路。这颗芯片可以自动识别当前充电设备是否支持VOOC闪充。另外,它的充电口,虽然也是MicroUSB,但有7针,电池也是特制,触点达到了8个。

  专门的适配器、电池、数据线、电路、接口,所有这一切都满足时候,才能开启闪充,实现4.5A大电流输出输入。如果检测到不支持,会自动使用稳定充电电流实现慢速充电。

  应该说,OPPO这套解决方案效果不错,实测效果好于高通的方案,目前也发展到第二代,并衍生出支持VOOC闪充的车载充电器和充电宝。它的弱点在于,整个充电的每个环节都要改造,成本高,是OPPO专利,目前除了他们自家的几款手机,其他厂商还没有采用的(OPPO似乎也没向外推广过),鉴于OPPO暂时还没有高通的号召力,它的推广难度要大于Quick Charge。

  快充技术的原理及应用

  ▲OPPO 闪充充电器在快充模式下的输出值为5V/5A,一般充电模式则为5V/2A。

  快充技术的原理及应用

  ▲一定要使用原厂的线材来搭配支援快充的充电器,否则会有损害装置的可能性。

  联发科Pump Express

  联发科对于快充技术相较高通的发展晚了点,但也推出了Pump Express Plus充电技术。Pump Express Plus强调可利用标准USB充电器,以最大输出电压12V输送高达15W以上的能量,能够在30分钟内让行动装置的电池快速充电从0%充至75%。MediaTek Pump Express Plus技术将伏特数控制在5V、7V、9V、12V之间,安培数则会大于或等于3A。单纯从输出端的伏特数与安培数来看,MediaTek Pump Express Plus的确能提供蛮快的供电效能。

  快充技术的原理及应用

  ▲联发科推出了PumpExpress Plus 快充技术,目前也已应用在多款手机上。

  Pump Express技术内置于PMIC的电源管理集成电路。Pump Express的特点是允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压,由PMIC发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传送给充电器,充电器依照这个指令调变输出电压,电压逐渐增加至高达5V 达到最大充电电流。

  快充技术的原理及应用

  联发科目前有两种快充规格:

  (1)Pump Express为快速直流充电器提供的输出功率小于10W(5V),受控输出电压:5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V,主流输出功率:5V/1A & 5V/1.5A

  (2)Pump Express Plus为充电器提供的输出功率大于15W,其差别为受控输出电压增加了12V、9V 和7V 三个档位,为12V/9V/7V/5V/4.8V/4.6V/ 4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V。

  目前配合联发科的快充方式,也已经有Dialog,On-bridge 和通嘉等电源芯片厂为其配合开发专属电源管理IC,它无需使用到USB的数据通讯口,线路简洁,从架构上看和目前传统USB 充电器几乎一样,其电源设计原理上也一样,所以这里不做详细的说明。

  从上面的叙述,能发现使用高通的快速充电方案优点:控制逻辑单纯,可靠性好,缺点:充电器的成本比同功率的充电器高20~30%。目前欧美和日本的手机制造商偏向使用高通的方案。

  联发科的方案,其智能手机及充电器总成本控制在略增10%以内,迎合中国及新兴国家中、低阶智能手机产品市场的需要。但是从技术的角度看,用电流脉冲信号的控制模式,其抗电磁干扰性和稳定性还需要更多验证。

  快速充电所带来的问题

  由于快速充电的本质都是提高输入功率,这将让锂离子电池本身的安全性与使用寿命面临考验。因大电流或高电压充电的方式容易造成电池芯内部反应剧烈发生热失控,温度急速升高的结果有可能会起火或爆炸,造成不堪设想的后果,所以在锂电池芯的选择上必须更加谨慎,也要做好周全的防护措施,所幸现在绝大部分的充电器和行动电源都相当重视安全性,直接将各种保护机制内建于产品中,将可能的伤害降到最低。

  要享受快速充电的便利性,除了充电器的规格必须支援较大电流与电压输出外,与其相连的线材也得具备相同的承受能力,所以一定要使用原厂随附或推荐选购的周边配件,才不会有安全性的隐忧。


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