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【實作實驗室】電池容量有多少?四大常用電池容量實測

作者:實作派

 

各位家裡的遙控器、無線滑鼠一定都需要電池,你是否覺得常常在換電池呢?

那你知道這些乾電池的容量是多少呢?電池容量越多撐得越久,目前我看除了充電電池有標示容量外,其餘電池幾乎都沒有標示,我們這次就來實測一下電池容量,我準備了碳鋅電池、鹼性電池、充電電池以及汽車備用電池,一起來看看吧。

電池的容量

大家也許知道電池的容量是電流乘以小時,若不熟悉的話,你把電流想像成水流,水庫容量就是水流可以流多久時間的意思,這樣就很好理解了。有些電池會標示如下圖的容量,以這顆充電電池來說,它的容量是 2450 mAh,但目前坊間似乎只有充電電池有標容量,一般的乾電池並沒有標示容量。

電池容量 單位是 mAh(圖片來源:實作派提供)

那各位來猜猜看,這個 2450 mAh 的數字是怎麼測量到的?是把電阻直接掛在電池上面,然後等著電池沒電嗎?概念上是如此沒錯,但如果真的以下圖這樣的定電阻接法,在實務上會有些問題,我先說喔,掛電阻不是不能測試容量,只是有點麻煩。

定電阻的負載不適合做放電曲線(圖片來源:實作派提供)

因為在實務上,隨著電流不斷消耗,電池的電壓會慢慢地下降,電壓可能從 6 V 下降到 4 V,在電阻固定的情況之下,電流也會同時變小,也就是說在放電過程中,每個時間點的電流都是不一樣的,這樣會讓電池的容量計算很困難,真的要計算容量的話,會需要動用到積分,而且以實驗設計的角度來看,一個實驗內同時有電壓與電流兩個變因在變化,對於實驗結果的理解不是很方便。

為了讓閱讀圖表的人能夠快速掌握電池的放電特性,我們一般會用定電流的方式來做測試,但電池的電壓在放電過程中會下降耶!那怎麼辦?難道電流變小的時候,在實驗中途去更換更小的電阻來把電流往上拉嗎?沒錯,思考方向正確,只不過沒那麼粗糙。

如下圖,只要使用 MOS 來取代電阻,我們就可以使用 Gate 極的電壓來做電流的控制,至於 G 極該怎麼控制,那就是你自動控制的功夫了,這種電路就稱為「電子負載」。既然它的電流可以動態調整,換個角度說,它的電阻、電壓也可以動態調整,因此排列組合起來,電子負載就會有好幾種模式,例如 Constant Current(CC)、Constant Resistance(CR)、Constant Power(CP)以及Constant Voltage(CV)。

電子負載的等效電路(圖片來源:實作派提供)

電子負載

下面是一台電子負載 PRODIGIT 3111,它可以抽載 70 A,瓦數可以到 350 W,下圖就是我拿它來測試鉛酸電池時候的英姿。雖然拿它來測試乾電池的容量有點大材小用,不過只要能完成測試,拿哪一種儀器來都可以。

電子負載正測試(圖片來源:實作派提供)

由於這種測試通常會需要長時間測試,動不動就十幾個小時,我當然不可能站在儀器前面每分鐘紀錄讀值,所以我必須把儀器跟電腦做連接,寫程式去跟儀器連接,把讀值抓出來。

通常儀器背後都有通訊 Port,例如 RS232、USB 或是 GPIB,如果是要抓波形拚速度的話,USB 是不錯的選擇,但是我這台只需要每分鐘讀一次,所以我選 RS232 這種簡單又方便的介面,只要買個 USB-RS232 的傳輸線,就可以搞定。

電子負載的 RS232 遠端控制介面(圖片來源:實作派提供)

電腦端的程式我是用 Python 寫的,因為它簡單好用外掛又多,我不需要再重新做輪子,程式列在下方給各位參考,大意就是把 RS232 COM Port 打開,然後開始讀值的迴圈,並且把抓到的值寫入 TXT 檔內,之後就可以用試算表作圖。

(圖片來源:實作派提供)

我知道這個程式有個小 Bug,也就是程式碼自己無法關掉 COM port,因為它在 Loop 迴圈之外,除非自己將程式中斷掉,但由於只是做小測試,所以我就偷懶不改了。如果各位對 Python 不熟悉,推薦到臉書搜尋紀老師程式教學網,裡面有很多 Python 的學習資源,可以參考看看。

電池的容量是多少?

接著就來開始測試電池的容量 ,我預計使用三種 AA 的三號電池。

因為每測試一次都要花上十幾小時,所以我只測試一組樣本,是無法得知母體平均值的,如此一來實驗結果一定會有偏差,實驗結果只能給各位當參考;另外我曾經自己更換過汽車備用電源裡面的免保養鉛酸電池,所以我也想知道它的電池容量是多少。

下列的測試我會把電池串四顆來測試,因為這台電子負載的工作電壓需要在 1.2 V 以上,如果我拿單顆電池來測試,那只能從 1.5 V 測試到 1.2 V,然後放電曲線可能就會開始亂跳了;為了讓放電曲線好看一點,我就將四顆電池串接,這樣電壓就會到 6 V,而且由於我是以定電流來測試,測試四顆與測試一顆電池的容量,會是一樣的。

  • 碳鋅電池

下圖是一般常買得到的碳鋅電池,打從我有記憶以來電池都是長這個樣子,這種電池就是便宜好用,不怕漏液。我的意思是它還是會漏液,只是清理起來比較好處理,不像鹼性電池漏液時會有腐蝕性,處理起來很花功夫。

測試碳鋅電池的容量(圖片來源:實作派提供)

經過十幾小時的測試,它的放電曲線長得如下圖這個樣子,由於是四顆串接,一開始電壓大約是 6 V 多一點,然後馬上快速降到 5.5 V,接著在 5 V 左右維持一段時間,最後電壓開始下降而且越來越快。

碳鋅電池的放電曲線(圖片來源:實作派提供)

你一定有看到曲線右邊翹了一個尾巴,那是因為我在測試末期故意把負載卸掉,想看看電壓如何表現,於是就看到了電壓有回升的趨勢,所以要測試電池是否有電,如果沒接負載,想單靠三用電表測量電壓,這樣的判斷並不是很準確,因為電池空載的時候,電壓會回升。

這個其實可以人性化的解釋,我來舉個例子,你在操場上跑十圈之後累得半死,於是你慢慢走回家,但隔壁有位老兄剛好出來散步,他也是慢慢走,你們兩位都是慢慢走,但是誰得體力保存得多呢?當然是那位還沒跑步的老兄囉,所以光看走路速度無法判斷誰得體力較多。

接著你稍做休息一分鐘之後,走路已經健步如飛了,但真的要你再去跑一圈操場,只有一圈喔,可能只有前幾步跑很快,後面的步伐就慢下來了,因為你的體力早就耗光了,這跟電池空載時的電壓變化,幾乎是一樣的行為。

我們來算一下碳鋅電池的容量吧,每顆電池表訂 1.5 V,我自行定義 1 V 叫做沒電,四顆串接就是要以 4 V 為界線,根據上圖的曲線,在 100 mA 的電流之下,電池大約可以撐 8.37 小時,所以它的容量計算如下:

100 mA×8.37 hr=837 mAh

也就是說如果你的遙控器每按一個鈕需要花 1 mA 電流的話,理論上你可以持續按住 837 小時它才會沒電,事實上按鈕也只是一秒鐘的事情,所以這種電池在遙控器上可以用很久。

  • 鹼性電池

接著來測試鹼性電池的容量,據廣告說鹼性電池很耐用,我實際來測試看看容量是多少。

使用鹼性電池有一點要注意的地方就是,不要長時間使用,因為用久了它一樣會漏液,而且它是使用強鹼溶液作為電解質,例如 KOH 氫氧化鉀或 NaOH 氫氧化鈉,一旦漏液清理起來很麻煩,手會有刺刺的感覺,還會腐蝕電路板,所以要拿它的好處之餘,自己也要付出一點關心,不然遙控器很快就掛了。

測試鹼性電池的容量(圖片來源:實作派提供)

經過二十多小時的測試,終於得到下面的放電曲線,若一樣以 4 V 為界線的話,它整整放電大約 20 小時啊,中間還有一段很平緩的區間,真的又穩又久,果然很帶勁,到了測試尾聲大約第 24 小時的時候,電壓突然陡降,基本上就跟小孩瞬間秒睡的狀況是一樣的。

鹼性電池的放電曲線(圖片來源:實作派提供)

所以鹼性電池的容量計算如下:

100 mA×21 hr=2100 mAh

我查了維基百科的鹼性電池容量,它是寫 2700 mAh,不過廠牌不同我們只能參考,大約就是 2000 mAh以上。

各位一定有發現到了第 25 小時曲線尾巴有點鬚鬚,這是因為電壓已經掉到低於 1.2 V,這是儀器的極限了,低於這個電壓儀器不保證可以抽到 100 mA 的電流,所以電壓有點高高低低的,實務上低於儀器的操作電壓,我們是不予參考的,這邊只是列出來給各位看好玩的。

  • 充電電池

接著我們來看看坊間的充電電池,它們這個族群是目前唯一有標示容量的電池,敢標示就要勇於接受測試,我是真的滿好奇的。

測試充電電池的容量(圖片來源:實作派提供)

這一次測試的時間超長,整整經過了24小時啊,但由於充電電池很貴,所以我沒有讓它放到乾,不然一次噴掉四顆電池很心痛啊。這個曲線超級平坦的,比鹼性電池要穩要久,難怪要這麼貴,不過看在可以重複使用的份上,也算值得。

充電電池的放電曲線(圖片來源:實作派提供)

馬上來計算充電電池的容量如下:

100 mA×24 hr=2400 mAh

各位可以把畫面往回捲動,看看最開始的充電電池標示容量,它是標示 2450 mAh,幾乎和計算的電池容量一樣呢!這真是太厲害了,果然敢標就是有料。不過我得要跟各位說明,電池的容量會隨著電流變大而縮小,所以我如果把電流設定為 1000 mAh,它的放電時間就不會是單純的 2.4 hr,也許會只有 1 hr,這個是電池天生的特性;相反的,我如果把電流變小,改為 50 mA 來測試,那麼我可能就會得到超過 2450 mAh的容量。

  • 汽車備用電池

最後來看看我之前更換的免保養鉛酸電池,來測試看看它的容量是多少,這個一顆是 12 V,所以不用串接了,直接測試就好,至於放電電流我就設定為 1 A,畢竟是要給汽車發動使用的,設定個 1 A 並不為過,而且可能還嫌小了,因為汽車引擎發動瞬間,以我的老爺車為例,啟動馬達瞬間大約會抽掉  220 A的電流,只要能在那個瞬間支應幾百安培的電流就達到救援的功能了。

新買的鉛酸電池(圖片來源:實作派提供)

畢竟這顆電池還在我的車上服役中,為了保護這顆電池,我需要修改一下程式,各位可以看到剛才的程式碼內有已經用井號 mark 起來的「BATT:UVP 10.5」,這個意思就是電壓低於 10.5 V 會自動停止測試,以免把電池搞壞,據讀者說這顆電池已經停產了,萬一壞了我就得買新的了。

經過 12 小時的測試,我發現它的放電曲線有點怪怪的,竟然中間有個轉折,仔細一看原來是剛才設定的保護措施生效了,當電池放電過程中電壓低於 10.5 V 時,電子負載會自動把負載卸掉,負載一旦消失,就跟剛才我提過的跑操場例子一樣,電池卸載後電壓會迅速恢復,但它其實是沒電的,所以放電中途才會有電壓回升產生轉折的狀況。

汽車備用電池的放電曲線(圖片來源:實作派提供)

接著來計算電池的容量:

1A×4hr=4AH

這個算出來的容量明顯和標示的 9 AH 不符合,但我並不擔心,因為我並不知道它那個 9 AH 是用多少電流測試來的,我相信只要我把放電電流改為 500 mA,它的放電時數就會增加,而且容量也會增加,畢竟這顆電池是要拿來給汽車的啟動馬達運轉用的,重點的放電時間只有 2 sec,能撐得過它就發揮功能了。

小時率

一般汽車、摩托車的鉛酸電池都會標示容量,至於它是放電放多久而得到這個容量,這個放電時間就稱為小時率。我在廠商的官網上面看到的資料是說汽車電池是以 5 小時率來標示容量,摩托車是以 10 小時率來標示容量,在這裡列出給各位參考。

電池容量需要和小時率一起看(圖片來源:實作派提供)

定電阻放電

前面所有的文章都是講定電流放電,但是實際在使用的時候,很多機會是類似定電阻的狀況。如果用定電阻來做放電測試,會看到甚麼結果呢,我們就實際來做一次。

下圖的曲線是用一顆三號電池,接上 4 ohm 負載所得到的曲線,紅線是鹼性電池,藍色是碳鋅電池,上方是電壓 V,下方是電流 mA,由於是定電阻,所以兩張圖的線形長得完全一樣。

定電阻模式的放電曲線(圖片來源:實作派提供)

各位會發現定電阻模式之下的鹼性電池,放電曲線較為和緩,比前述的定電流模式和緩多了,曲線看起來比較圓滑,而碳鋅電池也是一樣的情況,原本在定電流模式就已經比較圓滑的放電曲線,在定電阻模式之下,又變得更圓滑了,幾乎是一條往下的直線。

造成這個圓滑現象的原因是,電池在放電過程中,電壓會下降,由於負載是定電阻,根據 V=IR 因此電流也跟著下降,既然電流越來越小,電壓當然也就降得沒那麼快了,因此放電曲線顯得較圓滑。

由於放電過程中電流會隨時間變動,也就是越變越小,所以當你要計算容量的時候,會需要動用到積分,那真是很複雜啊,最方便的方式就是,用定電流測量容量,我們只需要單純的將電流乘以時間就能得到答案。

這篇文章花了很多時間測試,也噴掉很多顆電池,希望這篇對各位有幫助。

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:王姵文)

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