2022-01-12

電池容量、運作時間與工作週期 (Duty Cycle) 之間的故事

第一部份,搞懂電池電量標示:


你的 2000 mAh 不是我的 2000 mAh:

普通的電池在充/放電時,電壓會逐漸變化,容量通常標示的單位是 mAh(毫安培小時),表示「以 X mA 的電流放電,可以放電一個小時」的電荷量,Ah(安培小時)則是 mAh 的 1000 倍大。不過電荷是電荷,但實際攜帶的能量還要由電壓決定。電池根據使用的化學反應,有各種不同的標稱電壓、充電截止電壓(充到飽)以及放電截止電壓(放到空)。常見的有鎳氫電池(標稱 1.2V,充飽大約 1.46 ~ 1.5V,放電截止 1.0V)鉛蓄電池(這個根據蓄電池類型,電壓滿多變的,而且溫度影響相當大)、鋰鐵電池(標稱 3.2V,充飽約 3.6 ~ 3.65V,放電截止 2.5V)以及鋰離子電池(標稱 3.6 / 3.7V,充飽大約 4.2V,放電截止通常定在 3.0V),如下圖。

鋰離子電池放電電壓曲線圖,縱軸是電壓,橫軸是電量放出的百分比(來源

鋰鐵電池的放電曲線,注意這是 4 顆串聯的電壓,以及因為鋰鐵電池的特性,充電截止電壓其實只會維持非常短的時間。(來源

能量/電荷量?

單位是一切測量的基礎,所以首先要搞明白電荷儲存量(mAh / Ah / C),與能量儲存單位(Wh / kWh / J)的差別。
 
首先,電荷儲存量代表的是電池可以儲存多少電荷,由於 X 安培 (A) 相當於 X 庫倫 (C) 的電荷花費一秒時間通過某個截面,因此電流量乘上時間就可以表示電荷量。

再來,因為電壓 (V) 乘上電流 (I) 等於功率 (P),也就是 P=IV。因此安培小時 (Ah) 乘上電壓就是瓦時 (Wh)。

綜上所述,其實電荷儲存量乘上電壓才是實際蘊含的能量。因此同樣是 2000mAh 的鎳氫電池 (1.2V) 實際上能量只有鋰離子電池 (3.6 / 3.7V) 的三分之一左右。

C 數是什麼鬼?

(注:不是庫倫)電池充電放電常常看到 C 數這個數值用來描述「相對充電/放電速率」,比如 0.2C、0.5C 還是 1C 2C 等等的。這是一個沒有單位的數值,具體是將放電電流除以電池容量,比如以 20A 放電 100Ah 的電池 ,就是 0.2C。如果反過來,將電池容量除以放電電流,就會得到放電時間。比如鉛酸電池常見的「X 小時放電率」就是 C 數的倒數。一般而言鋰離子電池與鋰鐵電池在 1C 放電下都算安全(不過還是需要電池保護板支援到這個電流),如果需要高電流的話(比如用 100W 功率在短波發射)就得注意這點。

電池的串聯與並聯

電池串聯時,輸出電壓變成串聯數量的倍數,例如串聯 4 顆鋰鐵電池時,標稱電壓變成 12.8V (3.2V * 4),而安培小時數不變(原本單顆 40Ah 的話,串聯後總體還是 40Ah)。
並聯時,輸出電壓不變,換成安培小時數依照顆數倍增,例如 4 顆 2Ah (2000mAh) 鋰離子電池並聯就是 8Ah 容量。

我的 12.8V(標稱電壓)/ 14.6V(充電截止電壓) 10Ah 鋰鐵電池,是 4 組鋰鐵電池串聯,外觀相當普通。


第二部:工作週期 (Duty Cycle):

工作週期就是在一段時間單位內,設備動作的比例。舉例來說,有一台短波收發機正在收發 FT8,每 30 秒有 15 秒在發射信號,那發射耗電量的工作週期就是 50%。要得到週期中的平均耗電量,只要將動作時的功耗乘上工作週期,如 240W 乘上 50%,就會得到平均 120W,這樣就能得到單純發射使用的平均功率。想必讀者現在發現了一個問題,接收時的耗電量要怎麼算進去呢?為了準確計算整體耗電量,接收時的功耗也是得考慮進去的,尤其像我的 FT-991A,光接收就有 20W 左右的功耗 (13.8V @ 1.5A),不算進去會明顯失準。其實計算方法也跟剛剛一樣就是接收功耗乘上接收時間的比例,比如這裡的 20W 乘上另外的 50%,得到 10W 的平均接收功耗,剩下就是把這兩段的平均功耗加起來得到 130W,這樣就是我這台 FT-991A 打 FT8 時的平均功耗了。

得到平均功耗之後,只要把電池的能量(單位是 Wh,不是 Ah 那個)除以平均功耗就能得到估算的續航時間。假設我的電池是 4 串的 40Ah 鋰鐵電池(標稱電壓 12.8V),電量有 512Wh,除以 130W 的平均功耗就是 3.93 個小時,接近 4 小時了。

結語:

唉……要不是家裡不方便架設固定臺,我就不需要弄電池搞懂這些了,這算是塞翁失馬,焉知非福嗎?

2022-01-01

交換機器:後記

Icom IC-V8000 內部狀況並沒有很好,修起來不划算,所以考慮直接賣了。

Kenwood TM-271A 換了陶瓷濾波器就正常了,最近暫時先借給朋友用。