電池容量有多少？四大常用電池容量實(shí)測(cè)

各位家里的遙控器、無(wú)線鼠標(biāo)一定都需要電池，你是否覺(jué)得常常在換電池呢？

那你知道這些干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(biāo)示容量外，其余電池幾乎都沒(méi)有標(biāo)示，我們這次就來(lái)實(shí)測(cè)一下電池容量，我準(zhǔn)備了碳鋅電池、堿性電池、充電電池以及汽車備用電池，一起來(lái)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(shí)，若不熟悉的話，你把電流想象成水流，水庫(kù)容量就是水流可以流多久時(shí)間的意思，這樣就很好理解了。有些電池會(huì)標(biāo)示如下圖的容量，以這顆充電電池來(lái)說(shuō)，它的容量是 2450 mAh，但目前坊間似乎只有充電電池有標(biāo)容量，一般的干電池并沒(méi)有標(biāo)示容量。

電池容量單位是 mAh

那各位來(lái)猜猜看，這個(gè) 2450 mAh 的數(shù)字是怎么測(cè)量到的？是把電阻直接掛在電池上面，然后等著電池沒(méi)電嗎？概念上是如此沒(méi)錯(cuò)，但如果真的以下圖這樣的定電阻接法，在實(shí)務(wù)上會(huì)有些問(wèn)題，我先說(shuō)喔，掛電阻不是不能測(cè)試容量，只是有點(diǎn)麻煩。

定電阻的負(fù)載不適合做放電曲線

因?yàn)樵趯?shí)務(wù)上，隨著電流不斷消耗，電池的電壓會(huì)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(huì)同時(shí)變小，也就是說(shuō)在放電過(guò)程中，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電流都是不一樣的，這樣會(huì)讓電池的容量計(jì)算很困難，真的要計(jì)算容量的話，會(huì)需要?jiǎng)佑玫椒e分，而且以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)同時(shí)有電壓與電流兩個(gè)變因在變化，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huì)用定電流的方式來(lái)做測(cè)試，但電池的電壓在放電過(guò)程中會(huì)下降耶！那怎么辦？難道電流變小的時(shí)候，在實(shí)驗(yàn)中途去更換更小的電阻來(lái)把電流往上拉嗎？沒(méi)錯(cuò)，思考方向正確，只不過(guò)沒(méi)那么粗糙。

如下圖，只要使用 MOS 來(lái)取代電阻，我們就可以使用 Gate 極的電壓來(lái)做電流的控制，至于 G 極該怎么控制，那就是你自動(dòng)控制的功夫了，這種電路就稱為「電子負(fù)載」。既然它的電流可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，換個(gè)角度說(shuō)，它的電阻、電壓也可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此排列組合起來(lái)，電子負(fù)載就會(huì)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(fù)載的等效電路

電子負(fù)載

下面是一臺(tái)電子負(fù)載 PRODIGIT 3111，它可以抽載 70 A，瓦數(shù)可以到 350 W，下圖就是我拿它來(lái)測(cè)試鉛酸電池時(shí)候的英姿。雖然拿它來(lái)測(cè)試干電池的容量有點(diǎn)大材小用，不過(guò)只要能完成測(cè)試，拿哪一種儀器來(lái)都可以。

電子負(fù)載正測(cè)試

由于這種測(cè)試通常會(huì)需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，動(dòng)不動(dòng)就十幾個(gè)小時(shí)，我當(dāng)然不可能站在儀器前面每分鐘紀(jì)錄讀值，所以我必須把儀器跟計(jì)算機(jī)做連接，寫(xiě)程序去跟儀器連接，把讀值抓出來(lái)。

通常儀器背后都有通訊 Port，例如 RS232、USB 或是 GPIB，如果是要抓波形拚速度的話，USB 是不錯(cuò)的選擇，但是我這臺(tái)只需要每分鐘讀一次，所以我選 RS232 這種簡(jiǎn)單又方便的接口，只要買個(gè) USB-RS232 的傳輸線，就可以搞定。

電子負(fù)載的 RS232 遠(yuǎn)程控制接口

計(jì)算機(jī)端的程序我是用 Python 寫(xiě)的，因?yàn)樗?jiǎn)單好用外掛又多，我不需要再重新做輪子，程序行在下方給各位參考，大意就是把 RS232 COM Port 打開(kāi)，然后開(kāi)始讀值的循環(huán)，并且把抓到的值寫(xiě)入 TXT 檔內(nèi)，之后就可以用電子表格作圖。

import serial

import time

ser =serial.Serial('COM3',115200,timeout=1) #open serial port

print(ser.name,"is opened=",ser.isOpen()) # check port status

n=ser.write(b'*IDN?rn') # write a string

line = ser.readline()

print(line.decode("utf-8"))

#PRODIGIT 3111 command set

ser.write(b'MODE CCrn')

ser.write(b'CC:HIGH 0.1rn')

ser.write(b'LOAD ONrn')

# ser.write(b'REMOTErn')

# ser.write(b'MODE CCrn')

# ser.write(b'CC:HIGH 1rn')

# ser.write(b'BATT:UVP 10.5rn')

# ser.write(b'BATT:TEST ONrn')

# ser.write(b'TESTING?rn')

# tresult = ser.readline()

# tresult=tresult.decode("utf-8")

#strout="Testing="+tresult+"n"

# print(strout)

time.sleep(3)

loop = True

count=1

strout=""

while loop :

ser.write(b'MEAS:VOLT?rn')

Vrms=ser.readline()

Vrms=Vrms[:-3].decode("utf-8")

ser.write(b'MEAS:CURR?rn')

Irms=ser.readline()

Irms=Irms[:-3].decode("utf-8")

ser.write(b'MEAS:POW?rn')

Watt=ser.readline()

Watt=Watt[:-3].decode("utf-8")

minute=count/60

str_minute="{:.2f}".format(minute)

strout=str_minute+","+Vrms+","+Irms+","+Watt+"n"

print(strout)

f= open("meas.txt", "a")

f.write(strout)

f.close()

count+=1

time.sleep(1)

ser.close() # close port

我知道這個(gè)程序有個(gè)小Bug，也就是程序代碼自己無(wú)法關(guān)掉COM port，因?yàn)樗贚oop循環(huán)之外，除非自己將程序中斷掉，但由于只是做小測(cè)試，所以我就偷懶不改了。

電池的容量是多少?

接著就來(lái)開(kāi)始測(cè)試電池的容量 ，我預(yù)計(jì)使用三種AA的三號(hào)電池。因?yàn)槊繙y(cè)試一次都要花上十幾小時(shí)，所以我只測(cè)試一組樣本，無(wú)法得知母體平均值，如此一來(lái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一定會(huì)有偏差，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能給各位當(dāng)參考看熱鬧。另外我曾經(jīng)自己更換過(guò)汽車備用電源里面的免保養(yǎng)鉛酸電池汽車備用電池-忘記充電造成失效-更換電池DIY，所以我也想知道它的電池容量是多少。

下列的測(cè)試我會(huì)把電池串四顆來(lái)測(cè)試，因?yàn)檫@臺(tái)電子負(fù)載的工作電壓需要在1.2V以上，如果我拿單顆電池來(lái)測(cè)試，那只能從1.5V測(cè)試到1.2V然后放電曲線可能就會(huì)開(kāi)始亂跳了，為了讓放電曲線好看一點(diǎn)，我就將四顆電池串接，這樣電壓就會(huì)到6V，而且由于我是以定電流來(lái)測(cè)試，測(cè)試四顆與測(cè)試一顆電池的容量，會(huì)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(lái)電池都是長(zhǎng)這個(gè)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(huì)漏液，只是清理起來(lái)比較好處理，不像堿性電池漏液時(shí)會(huì)有腐蝕性，處理起來(lái)很花功夫。

測(cè)試碳鋅電池的容量

經(jīng)過(guò)十幾小時(shí)的測(cè)試，它的放電曲線長(zhǎng)得如下圖這個(gè)樣子，由于是四顆串接，一開(kāi)始電壓大約是 6 V 多一點(diǎn)，然后馬上快速降到 5.5 V，接著在 5 V 左右維持一段時(shí)間，最后電壓開(kāi)始下降而且越來(lái)越快。

碳鋅電池的放電曲線

你一定有看到曲線右邊翹了一個(gè)尾巴，那是因?yàn)槲以跍y(cè)試末期故意把負(fù)載卸掉，想看看電壓如何表現(xiàn)，于是就看到了電壓有回升的趨勢(shì)，所以要測(cè)試電池是否有電，如果沒(méi)接負(fù)載，想單靠三用電表測(cè)量電壓，這樣的判斷并不是很準(zhǔn)確，因?yàn)殡姵乜蛰d的時(shí)候，電壓會(huì)回升。

這個(gè)其實(shí)可以人性化的解釋，我來(lái)舉個(gè)例子，你在操場(chǎng)上跑十圈之后累得半死，于是你慢慢走回家，但隔壁有位老兄剛好出來(lái)散步，他也是慢慢走，你們兩位都是慢慢走，但是誰(shuí)得體力保存得多呢？當(dāng)然是那位還沒(méi)跑步的老兄啰，所以光看走路速度無(wú)法判斷誰(shuí)得體力較多。

接著你稍做休息一分鐘之后，走路已經(jīng)健步如飛了，但真的要你再去跑一圈操場(chǎng)，只有一圈喔，可能只有前幾步跑很快，后面的步伐就慢下來(lái)了，因?yàn)槟愕捏w力早就耗光了，這跟電池空載時(shí)的電壓變化，幾乎是一樣的行為。

我們來(lái)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(méi)電，四顆串接就是要以 4 V 為界線，根據(jù)上圖的曲線，在 100 mA 的電流之下，電池大約可以撐 8.37 小時(shí)，所以它的容量計(jì)算如下：

100 mA×8.37 hr=837 mAh

也就是說(shuō)如果你的遙控器每按一個(gè)鈕需要花1 mA 電流的話，理論上你可以持續(xù)按住 837 小時(shí)它才會(huì)沒(méi)電，事實(shí)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。

堿性電池

接著來(lái)測(cè)試堿性電池的容量，據(jù)廣告說(shuō)堿性電池很耐用，我實(shí)際來(lái)測(cè)試看看容量是多少。

使用堿性電池有一點(diǎn)要注意的地方就是，不要長(zhǎng)時(shí)間使用，因?yàn)橛镁昧怂粯訒?huì)漏液，而且它是使用強(qiáng)堿溶液作為電解質(zhì)，例如 KOH 氫氧化鉀或 NaOH 氫氧化鈉，一旦漏液清理起來(lái)很麻煩，手會(huì)有刺刺的感覺(jué)，還會(huì)腐蝕電路板，所以要拿它的好處之余，自己也要付出一點(diǎn)關(guān)心，不然遙控器很快就掛了。

測(cè)試堿性電池的容量

經(jīng)過(guò)二十多小時(shí)的測(cè)試，終于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(shí)啊，中間還有一段很平緩的區(qū)間，真的又穩(wěn)又久，果然很帶勁，到了測(cè)試尾聲大約第 24 小時(shí)的時(shí)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。

堿性電池的放電曲線

所以堿性電池的容量計(jì)算如下：

100 mA×21 hr=2100 mAh

我查了維基百科的堿性電池容量，它是寫(xiě) 2700 mAh，不過(guò)廠牌不同我們只能參考，大約就是 2000 mAh以上。

各位一定有發(fā)現(xiàn)到了第 25 小時(shí)曲線尾巴有點(diǎn)須須，這是因?yàn)殡妷阂呀?jīng)掉到低于 1.2 V，這是儀器的極限了，低于這個(gè)電壓儀器不保證可以抽到 100 mA 的電流，所以電壓有點(diǎn)高高低低的，實(shí)務(wù)上低于儀器的操作電壓，我們是不予參考的，這邊只是列出來(lái)給各位看好玩的。

充電電池

接著我們來(lái)看看坊間的充電電池，它們這個(gè)族群是目前唯一有標(biāo)示容量的電池，敢標(biāo)示就要勇于接受測(cè)試，我是真的滿好奇的。

測(cè)試充電電池的容量

這一次測(cè)試的時(shí)間超長(zhǎng)，整整經(jīng)過(guò)了24小時(shí)啊，但由于充電電池很貴，所以我沒(méi)有讓它放到干，不然一次噴掉四顆電池很心痛啊。這個(gè)曲線超級(jí)平坦的，比堿性電池要穩(wěn)要久，難怪要這么貴，不過(guò)看在可以重復(fù)使用的份上，也算值得。

充電電池的放電曲線

馬上來(lái)計(jì)算充電電池的容量如下：

100 mA×24 hr=2400 mAh

各位可以把畫(huà)面往回卷動(dòng)，看看最開(kāi)始的充電電池標(biāo)示容量，它是標(biāo)示 2450 mAh，幾乎和計(jì)算的電池容量一樣呢！這真是太厲害了，果然敢標(biāo)就是有料。不過(guò)我得要跟各位說(shuō)明，電池的容量會(huì)隨著電流變大而縮小，所以我如果把電流設(shè)定為 1000 mAh，它的放電時(shí)間就不會(huì)是單純的 2.4 hr，也許會(huì)只有 1 hr，這個(gè)是電池天生的特性；相反的，我如果把電流變小，改為 50 mA 來(lái)測(cè)試，那么我可能就會(huì)得到超過(guò) 2450 mAh的容量。

汽車備用電池

最后來(lái)看看我之前更換的免保養(yǎng)鉛酸電池，來(lái)測(cè)試看看它的容量是多少，這個(gè)一顆是 12 V，所以不用串接了，直接測(cè)試就好，至于放電電流我就設(shè)定為 1 A，畢竟是要給汽車發(fā)動(dòng)使用的，設(shè)定個(gè) 1 A 并不為過(guò)，而且可能還嫌小了，因?yàn)槠囈姘l(fā)動(dòng)瞬間，以我的老爺車為例，啟動(dòng)馬達(dá)瞬間大約會(huì)抽掉 220 A的電流，只要能在那個(gè)瞬間支應(yīng)幾百安培的電流就達(dá)到救援的功能了。

新買的鉛酸電池

畢竟這顆電池還在我的車上服役中，為了保護(hù)這顆電池，我需要修改一下程序，各位可以看到剛才的程序代碼內(nèi)有已經(jīng)用井號(hào) mark 起來(lái)的「BATT:UVP 10.5」，這個(gè)意思就是電壓低于 10.5 V 會(huì)自動(dòng)停止測(cè)試，以免把電池搞壞，據(jù)讀者說(shuō)這顆電池已經(jīng)停產(chǎn)了，萬(wàn)一壞了我就得買新的了。

經(jīng)過(guò) 12 小時(shí)的測(cè)試，我發(fā)現(xiàn)它的放電曲線有點(diǎn)怪怪的，竟然中間有個(gè)轉(zhuǎn)折，仔細(xì)一看原來(lái)是剛才設(shè)定的保護(hù)措施生效了，當(dāng)電池放電過(guò)程中電壓低于10.5 V 時(shí)，電子負(fù)載會(huì)自動(dòng)把負(fù)載卸掉，負(fù)載一旦消失，就跟剛才我提過(guò)的跑操場(chǎng)例子一樣，電池卸除后電壓會(huì)迅速恢復(fù)，但它其實(shí)是沒(méi)電的，所以放電中途才會(huì)有電壓回升產(chǎn)生轉(zhuǎn)折的狀況。

汽車備用電池的放電曲線

接著來(lái)計(jì)算電池的容量：

1A×4hr=4AH

這個(gè)算出來(lái)的容量明顯和標(biāo)示的 9 AH 不符合，但我并不擔(dān)心，因?yàn)槲也⒉恢浪莻€(gè) 9 AH 是用多少電流測(cè)試來(lái)的，我相信只要我把放電電流改為 500 mA，它的放電時(shí)數(shù)就會(huì)增加，而且容量也會(huì)增加，畢竟這顆電池是要拿來(lái)給汽車的啟動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)用的，重點(diǎn)的放電時(shí)間只有 2 sec，能撐得過(guò)它就發(fā)揮功能了。

小時(shí)率

一般汽車、摩托車的鉛酸電池都會(huì)標(biāo)示容量，至于它是放電放多久而得到這個(gè)容量，這個(gè)放電時(shí)間就稱為小時(shí)率。我在廠商的官網(wǎng)上面看到的資料是說(shuō)汽車電池是以 5 小時(shí)率來(lái)標(biāo)示容量，摩托車是以 10 小時(shí)率來(lái)標(biāo)示容量，在這里列出給各位參考。

電池容量需要和小時(shí)率一起看

定電阻放電

前面所有的文章都是講定電流放電，但是實(shí)際在使用的時(shí)候，很多機(jī)會(huì)是類似定電阻的狀況。如果用定電阻來(lái)做放電測(cè)試，會(huì)看到甚么結(jié)果呢，我們就實(shí)際來(lái)做一次。

下圖的曲線是用一顆三號(hào)電池，接上 4 ohm 負(fù)載所得到的曲線，紅線是堿性電池，藍(lán)色是碳鋅電池，上方是電壓 V，下方是電流 mA，由于是定電阻，所以兩張圖的線形長(zhǎng)得完全一樣。

定電阻模式的放電曲線

各位會(huì)發(fā)現(xiàn)定電阻模式之下的堿性電池，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(lái)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(jīng)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(gè)圓滑現(xiàn)象的原因是，電池在放電過(guò)程中，電壓會(huì)下降，由于負(fù)載是定電阻，根據(jù) V=IR 因此電流也跟著下降，既然電流越來(lái)越小，電壓當(dāng)然也就降得沒(méi)那么快了，因此放電曲線顯得較圓滑。

由于放電過(guò)程中電流會(huì)隨時(shí)間變動(dòng)，也就是越變?cè)叫?，所以?dāng)你要計(jì)算容量的時(shí)候，會(huì)需要?jiǎng)佑玫椒e分，那真是很復(fù)雜啊，最方便的方式就是，用定電流測(cè)量容量，我們只需要單純的將電流乘以時(shí)間就能得到答案。