如何科学的延长电池寿命

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提醒:本文最后更新于 2024-03-09 11:15,文中所关联的信息可能已发生改变,请知悉!

笔者小时候网上冲浪,最喜欢做的就是一遍遍的翻苹果官网,边角的任何信息都不容错过,各种技术参数背的烂熟。虽然多年过去,现在已经想不起 iPhone5 镜头的等效焦段,或是 A7 采用的制程工艺,但那时官网上偶然翻到的一篇关于电池的概述却我印象深刻。

如何科学的延长电池寿命

如果你只想要标题的答案,那么这张图的细节已经足够丰富,温度和百分比决定了一块电池容量衰减的速度。
好,那我们 下期 再见~

如何科学的延长电池寿命

什么?你想知道背后的技术原理?好吧,笔者将结合自己粗浅的穿越机(FPV)飞行经验,从穿越机电池的参数开始剖析,自顶向下推导出结论,附带一些技术说明。
笔者并不是 EE 专业,有错轻喷。

如何科学的延长电池寿命

首先,在话题开始之前,我们有必要来复习一下小学二年级学过的知识,电池种类:
我们的手机,早期采用镍氢电池,因为记忆效应明显,目前已全面普及锂聚合物电池(Li-Po),少部分充电宝则采用锂离子电池(Li-ion)。而汽车或者重工业用的,一般都是铅蓄电池。
每类电池之间的差异 非 常 大!通常不能相提并论。
但巧了,我们要讨论的手机电池和穿越机电池同属锂聚合物电池,我们可以把穿越机电池的参数偷来使用。理解了穿越机电池参数,你也就能理解手机锂电的门道。

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(FPV 电池)

mAh/Ah

好了,我们从简单的开始,你的面前摆了一块 方方正正,正正方方,方正方正,正方正方 的锂电,上面标着 3000mAh,这什么意思?这意味着,这块电池能以 3000mA 的电流持续放电 1 小时,1h 后没电。
mAh 描述了一块电池里能塞进的电荷数量,这个数值越大,续航时间越长,没啥好说的。

标称电压

标称电压通常用来表示电池的平均电压,是一个近似值,不同种类的电池标压不同。如锂电标压 3.7V,铅酸电池 2.0V,锌锰电池 1.5V,镍氢电池 1.2V。
标压并不是指电池工作时的电压,电池充放电时它的电压是会上下波动的。锂电工作时具有这样的特性:电池满电 100% 时,电压 4.2V,50% 时 3.7V,0% 对应 3.3V。
由此可以看出锂电充放电时的电压并不是线性的,而是一条曲线,实际的情况比这复杂得多。

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C 数

C 数代表了一块电池的放电倍率,数值越大,放出的电流越暴力。还是上面的例子,一块 3000mAh 的电池,假设他的放电倍率是 10C,那意味着它最大可以放出 3000mA*10 倍 =30A 的电流,有点类似超频。
电流是变大了,但是能量守恒,现在这块电的续航时间只有 1h/10 倍 =6min 的时间,如果它一直以 30A 的电流输出,6min 没电。
不同于暴力的穿越机电池,动辄 100c 的放电倍率,手机电池不需要这么大的电流浮动,通常为 1C。
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(75C 的穿越机电池)

S 数(Serial 串行)

如果说 C 数是关于电流的一些变动,那么 S 数和接下来要说的 P 数就是电压上的变动。
S 数描述的是一块电池内部通常有多少串联的电芯(Cells),2S 就是 2 块串联的电池,3S 就是 3 块。

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(3 电芯单块电)

一块锂电的标称电压是 3.7V,那么 2S(2 块电串联)的电压是多少呢?
是 3.7V*2=7.4V,3S 则是 3.7V*3=11.1V。

和 FPV 电池 3S-6S 这么多并联的电芯不同,手机电池通常只有 1S(因为 Soc 通常不需要大电压,电压过高反而会给变压模块带来负担)。

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(4S 电池)

P 数(Parallel 并行)

P 数指一块电内部有多少电芯数并联,2P 指 2 块电芯并联,并联电压不变,参照上文,输出电压 3.7V,类推。
那么,一块 3S2P 的电池输出电压多少呢?答案,11.1V。

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(6 电芯单块电)

因为并联并不会带来电压的变化,电流却在变,因此手机锂电根据不同厂商,通常 P 数不同。

Wh

瓦时是能量单位,和 mAh 描述了电池容量不同,它描述了一块电池能做功的多少,主流笔电 60-100Wh,手机 10-20Wh,那这是怎么计算出来的呢?
我们仍然以 3000mAh 的电池举例,
根据小学二年级物理公式:Wh=UIt^2=UQt=U*mAh
可以简单地看出,只要把电池的标压 3.7V 乘以毫安数就可以得到瓦时。
3.7V*3Ah=11.1Wh

结论

讲了这么多概念,差不多改回溯一下主题了。
怎么最大限度地阻止一块电池容量衰减呢?很简单,只要一直保持 50% 左右的电量就可以了(误
FPV 电池 C 数很大,内部电芯的电极接触面积大,因此化学运动十分剧烈,如果长期满电存储,会发生不可逆的化学反应(负极固化物),产生气体,从而鼓包。虽说手机电池只有 1C,但并不意味着满电存储不会鼓包,笔者就 不 止 一 次 在拆机的过程中发现笔电或是手机锂电鼓包的情况,通常机主都会表示笔电日常插电使用,或者手机长时间满电关机。
这里必须明确,电池鼓包必须立刻停止使用!天知道接下来会发生什么,漏液算轻的,着火了等着哭去吧 :)
和过充造成的电池鼓包相比,电池过放(长期没电)造成的结果算温和的,顶多失去一块电池嘛,我是绝对不会告诉你我的 MBP 半年没充电直接报废电池换块原装备件花了 300+ 的事实的 TAT。

工艺

接下来是补 (正) 充(片)说 (开) 明(始)。
目前锂电有两种主流的生产工艺,卷绕法和堆叠法。堆叠法是一种更加现代的技术,而前者的影响力正在日渐衰微。
卷绕法把正负极和电解层堆叠在一起,卷绕成型,效率高,但能量密度低,电池膨胀后受力不均匀。
堆叠法把正负极,电解层一层一层反复的堆叠制成,通常能做出各种奇形怪状的异形电池,得以充分利用空间。

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(Macbook2016 引入的异形电池)

关于两种工艺的优劣,回形针已经造好了轮子,这里直接引用:
https://www.bilibili.com/video/BV1Kt411G7La/

BMS

电池管理系统(Battery Management System)几乎在任何电子设备上可见,它主要负责电池的充放电管理。
比如锂电充至最后 20% 电量时进入涓流充电,就是 BMS 在起作用。
再比如你正在给手机充电,现在电量 100%,那么事实上手机的锂电还有没有在接收电流呢?
答案是没有了,大多数 BMS 都会切断电源,避免电池过充。
好的 BMS 算法能大幅提高电池的使用寿命,比如 iOS 的 BMS:

如何科学的延长电池寿命

TESLA 和 DJI 的 BMS 算法也同样优秀,前者通过 OTA 更新让 Model X 多出了近 30KM 的里程,而 DJI 则通过不断地 BMS 算法更新为 Mavic2 增加了近 3min 的续航时间。

--- 嘛,差不多就这些了,写稿不容易,喜欢不妨分享一下 Owo---

正文完
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Pumpkin_300
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