电池与数字负载

随着通讯器件从模拟信号转向数字信号，对电池也提出了新的要求。同模拟收发机采用稳定的电流不同，数字收发机要求电池承受短促的尖峰电流；对于具有双向电波信号功能的通讯设备来说，要求电池内阻低；过冷或过热对于电池的工作性能也有较大影响。

1.内部连线、接触以及保护电路都需要考虑；性能和电池的容量、荷电状态以及串联连接的电池数有关
2.自放电在最初的24小时最高，然后逐渐下降，并且随着电池的使用时间和工作温度的增加而增加
3.循环寿命基于放电深度，较浅的放电深度比深度放电具有较高的循环使用寿命
4.循环寿命基于维护过程，如果没有周期性的放电那么电池的循环寿命可能会下降1/3尽管镍氢和锂离子电池在蜂窝电话和笔记本电脑中具有最好的性能，但是镍氢电池在双向电波信号应用中的性能却没有得到体现，预期使用寿命下降。

图 1 NiCd, NiMH 和 Li-ion电池能量密度、内阻、自放电和循环使用寿命特性

适合数字式双向电波应用的电池
当今电池的研究主要集中在锂离子电池系统，在图1中，对镍镉、镍氢锂离子电池的能量密度和内阻的关系进行了比较。为了达到镍基电池的预期寿命，要求对其进行周期性放电以进行维护。
镍镉电池和镍氢电池为了避免记忆性，需要周期性的进行放电维护。而且对于NiCd电池使用记忆性很可能不恰当，因为现在这种电池基本都避免了这种现象。
锂离子电池属于低维护型，具有其它电池所不具有的很多优良性能。不需预定的过程来延长电池的使用寿命，和相同容量的电池比起来，锂离子电池的质量较轻而存储的能量最大。其缺点是易碎，需要一个保护电路，充放电电流较小，而且成本也较高，其使用寿命为两三年。一般来说，保持电池在中等温度下可以延长电池的使用寿命。目前电池厂家都正在提高电池的寿命，安全问题以期未来得到解决。
数字收发机所需的总体能量比模拟收发机所需的低，但是数字收发机设备使用的电池需要承受较高的峰值电流，通常为电池额定值很多倍。对于由1000mAh电池供电的数字收发机来说，峰值电流可达3A，要求电池提供高达3C的放电率。对于内阻低的电池来说，3C的放电率完全可以接受的，然而由于电池内阻随使用时间而增加,所以电池在使用一段时间后很可能就会有问题。通过使用较大容量的电池可以改善电池的性能，即使用电池组。通过电池的并联可得到较大容量的电池，如2000mAh的电池和标准的1000mAh电池比起来，容量几乎增加一倍，就C率而言，3C的放电率降低到1.5C。

图2 镍镉电池在GSM负载程序下，以1C、2C、3C放电和通话时间关系曲线。测试电池的容量为113％额定容量，内阻为155mW

图3 镍氢电池在GSM负载程序下，以1C、2C、3C放电和通话时间关系曲线。测试电池的容量为103％额定容量，内阻为778mW

图4 Li-ion电池在GSM负载程序下，以1C、2C、3C放电和通话时间关系曲线。测试电池的容量为94％额定容量，内阻为320mW

测试状态好的电池不能在数字设备中工作的原因
为了找到最适合通讯器件使用的电池系统，Cadex Electronics对镍镉、镍氢和锂离子以不同放电率进行了测试，对于使用了一段时间的电池来说，经过电池分析仪分析可知电池的容量状态良好，其中电池分析仪相当于中等状况的负载。当对电池进行较高的放电率放电时，或者把电池安装到数字收发机中使用时，发现电池的性能大大下降。其原因就是电池的内阻较高，对性能表现正常的电池进行测量可得镍镉电池的内阻为155 mW，镍氢电池较高为778 mW，锂离子电池居中为320 mW；且相应电池的容量分别为额定容量的113%,、107% 和 94%。
从图2、图、3图4可以看出，通话时间和电池的内阻直接相关。在相同的条件下，镍镉电池以3C放电时的性能最好，通话时间可达120分钟；而镍氢电池仅在1C的情况下表现良好，当放电率达到3C时电池将被损坏；而锂离子电池以3C放电时的通话时间仅为50分钟。尽管这些电池的测试是在GSM系统上实现的，但是对于各种新型的数字信号通讯系统来说，测试结果基本一致。

电池性能的测量
对电池进行完全放电来测量电池的性能是可靠的，但整个测量过程较慢。另外，在数字信号设备中，使用稳定的电流来对电池进行放电并不能充分获得电池的性能。在过去几年，开发出各种各样的测试仪器来测量电池内阻。尽管这种方法很快，但是内阻判断法所得的结果往往和电池的容量值矛盾，因此预测电池的性能也就变得不可靠，
Cadex Electronics研发出QuickTest方法来测量电池的SoH。对于双向电波设备、蜂窝电话、笔记本、扫描仪、医疗设备、数码相机等所用的电池，仅需3分钟既可获得电池性能。QuickTest采用了一种独特的推断算法从大量的变量中获得所需的电池性能数据，可以评价电池的容量、内阻、自放电、充电接收率、放电能力以及电解液的迁移能力，然后把这些变量结合得出一个量称为SoH。QuickTest软件嵌入在Cadex C7200 和C7400电池分析仪中，可以分析镍基、锂基和铅基电池。用户可对分析仪编程，实现初始化、反复的快速充电，寿命测试以及泵升功能。
QuickTest充分利用了分析仪的自学习过程来获得电池特殊矩阵，并且这种自学习过程具有很强的适应性。电池的特殊矩阵存储在虚拟的电池中，并自动配置参数来调整电池设置。电池适配器在购买时通常包括QuickTest矩阵，如果初始矩阵被改变了，那么使用者通过扫描一种良好的电池即可得到QuickTest矩阵，同时代码可以复制到其他的电池适配器，可以擦除以及重新输入。QuickTest要求的荷电水平通常为20~90％，如果超出这个范围，分析仪将自动对电池进行充电或者放电。

结语
手持通讯设备和电池密切相关，但是直到现在，电池在使用过程中的性能变化仍然很大，尤其是电池组在使用一段时间后变得更为严重。但在目前的应用中，仍然没有找到一种可替代的技术来代替这种变化复杂的电化学电池。
尽管电池的性能在不断地提高，但是最为关键的仍然是对电池进行维护，镍基电池的维护包括周期性的放电以消除记忆性，而锂基电池的免维护性大大方便了电池性能的快速测量。

作者简介：Isidor Buchmann先生是Cadex Electronics Inc的创立者和CEO，他在通讯领域、电池应用领域具有20多年的实际经验，曾在世界范围内发表大量有关电池的著作和论文并获奖。■