智慧手機的基本觀念其一 - 電池及充電

對手機來說，電池一直都是一個重要的配件。到了智慧型手機時代，手機耗電大幅提升，電池科技卻沒有跟上，如何善用電池及延長它的壽命，變成大家急欲尋求的解答。

有時候越是流行的東西，在網路上，反而會充斥太多似是而非的文章。專業人士忙著賺錢，也懶得去和一般人解釋。

推文回答推久了會有點煩，所以雖然我不是EE背景，就讓我這個在手機廠打工的工程師班門弄斧一下吧。


一、原理：
太深的東西這邊就不提了，但是還是來輕描淡寫一下。

首先，在2012年的現在，基本上所有的手機所使用的都是鋰離子電池，其中絕大多數使用鋰聚合物。(一般我們說鋰電其實並不精確，因為嚴格來說鋰電是指一次性的鋰電池，不過...就算了吧)

其原理，簡而言之，就是靠鋰離子在正負極之間的移動來工作。放電時，鋰離子離開負極，進入正極，產生電流。充電時，由於我們從外部加上的電流，強制鋰離子反向移動，從正極移到負極，還原成可以再度放電的狀態。

二、電壓：
和一般人直觀的想法可能稍有不同，和插頭或電源供應器不一樣，基本上只要是電池，其電壓並不會是固定的，它必定隨著不斷放電，而造成從最高電壓慢慢的降低，直到無法再提供足夠的電壓和電流。

手機用的鋰離子電池，其工作範定義為 3.2V~4.2V。基本上不管電池上標示 3.7V、4.2V，實際上手機電池在真實電壓上並沒有什麼太大的區別。下次看到同廠牌，無論標示 3.7V 或 4.2V，只要容量相差不遠，接頭相同，事實上應該都是可交換的。

如果標示 4.2V，意味是標示鋰離子電池的最高電壓。如果標示 3.7V，則代表它標示的是所謂的名義(Nominal)電壓。大多數充電電池標示的電壓都是所謂名義電壓，例如說AA鎳氫電池的 1.2V，汽車鉛酸電池的 12V，還有鋰離子電池的 3.7V。這個名義電壓主要的用途是用來計算電力的，對於放電曲線是接近線性的充電電池來說，這是它的中點電壓。

3.7V 大約剛好是是 3.2V和4.2V 的中點。所以同理，AA鎳氫工作電壓約為 1.0V-1.4V，汽車鉛酸電池約為 10V-14V。
(真實的情形其實和上述簡化的說法略有不同，因為放電曲線通常都不是真的線性，以鋰離子電池而言，3.7V 應為其充飽後放到，一直到電池 cut-off voltage 約 2.75V 的「平均電壓」。)

鋰離子電池是絕對禁止過充和過放的，一旦充電超過 4.2V，會使得電池產生不可逆的結晶體，減少其壽命和電量。其狀況嚴重者，也就是平常看到電池脹大的狀況。此時，最好是停止使用此顆電池，因為結晶若刺穿電池的薄膜，會有短路、燒毀、甚至爆炸的危險性存在。 更正：脹大的原因通常是氣體而非結晶化。

而放電到低於2.75V的時候，同樣會對電池造成不可恢復的損害，大幅降低電池的可用電量及壽命。

三、電量：
電池的電量大多是以mAh或Wh來標示的。顧名思義就是mA(毫安培)xh(小時)或Watt(瓦特)xh(小時)。

這個容量怎麼計算的呢？其實就是電流和時間的積分。
如果一顆鋰離子電池，以50mA放電可以使用30個小時，那麼這個電池的電量為50mA x 30h = 1500mAh，換算成Wh就是1.5Ah*3.7V(Nominal Votage) = 5.55Wh。(1A = 1000mA)

過去在feature phone的時代，多半以電池目前的電壓，加上放電曲線，來推估電池剩餘的百分比。不過這有一個問題就是，因為電壓根據溫度還有目前充/放電的情形不同，上下跳動的程度非常大，所以也就非常地不準。

再者，電池有老化的問題，電量是會隨時間遞減的。所以現代的手機會在電池上(ex. HTC)或手機上(ex. Sony Ericsson)，放置一顆Gauge IC(流量統計及充電控制IC)。當你充電或放電時，這顆IC會統計流經的電流量，以便提供更精確穩定的電量數據。

四、壽命：
通常以充放次數(cycle)來計算。

一般而言，如果一顆電池宣稱它有500次充放的壽命，代表它經過500個"cycle"之後，還能儲存到原本 80% 以上的電量(根據回應更正，感謝)。

所謂的cycle，並不是說你拿去充電一次就算一次，而是以完全充放一次來計算。以手機為例，就是從4.2V，用到3.2V，然後再充到4.2V，這樣算是一次(1 cycle)。

也就是說，如果你今天用到50%，再拿回去充到100%，只進行了一半的循環，那這樣並不算一次，而只是0.5個cycle。

鋰離子電池電敢號稱自己無記憶效應，只要不要過充和過放，長充長放和短充短放，對壽命的影響差異甚微。

五、充電：
有別於鉛酸及鎳氫都會提高至16V/1.6V，超過其工作電壓的高壓來提高充電速度，由於鋰離子電池是不可過充的，所以一般都是固定用4.2V去供電。

至於充電的來源，現在主流都是USB充電，所以可以用電腦的USB搭配傳輸線，或用AC(插座)轉USB的旅充來充電。外部的5V直流，經過充電電路降壓至4.2V後，再對電池充電。

很多人搞不懂充電電流的意義，基本上充電電流要分成三個部份來看。

1. 來源的電流：如果用電腦USB充電，其電流限制為 500mA，這是 USB 的規範。如果是 AC 轉 5V，通常看到的種類有 500mA, 1000mA, 1500mA, 2000mA 幾種。

2. 充電電路的限流：傳統上鋰離子安全的充電電流為1C。也就是說，如果1500mAh的電池，安全充電電流上限為1.5A，並需要考量手機的散熱能力。因此，不能有多少就吃多少，必須在供電電路上限流。以小型的 feature phone，電池約在 700-900mAh，通常限流為 500mA。目前主流的 smart phone，其容量為 1200mAh 至 1900mAh，廠商一般將手機端限流定在1A。而平板電腦，例如說iPad等，其電池至少為3000~4000mAh起跳，所以一般限流為1.5或2A。

3. 壓差： 因為這部份有些不清楚，這邊根據推文的建議改寫一下。 鋰電採 CCCV(Constant Current, Constant Voltage) 充電，一開始電池電壓低，先採定電流充電(也就是前項所說的限流數字)，等充電端遂漸加壓上升至截止電壓後就不會再加壓，或者可以想成是「有限流的定電壓充電」。所以一開始可能是 1A~2A 充電，隨著電池的電壓越來越高，充電端的電壓也持續提高，但充電端在 80%~90% 的時候就會到達 4.2V，此時電流就會因為壓差越來越小開始慢慢下降，最後等到電池電壓達到 4.2V，在無電位差的情形自然充電電流就成為0，電池也就充飽了。

六、充電器和充電線的選擇：
因為這是比較大的問題，所以特地獨立一段出來。

一言以蔽之，就是要選擇品質穩定、電流充足的充電器。由於前段所述，充電電路會有限制的關係，所以使用規格超過原廠電流的充電器是沒有關係的。

就算拿平板電腦用的旅充來充手機，手機充其量也只會用1A的速度來充電。而且事實上，由於平板電腦用的旅充工作電流更大，如果不計較大小，它的電流電壓穩定度、以及效率還可能會比一般手機用的旅充插頭要好。

(當然，如果手機不幸短路、故障燒掉，限流1A還是會比2A燒得慢一點，不過一旦燒掉可能就沒什麼差了。)

一般來說，原廠旅充和原廠線是不會有什麼問題的。如果有必要選擇副廠(不同地方使用或車用)廠品，務必要小心選擇。不符標示的旅充車充，在市面上非常多。貪小便宜的結果，往往是用得很不開心。(參閱前文一、文二。)USB線也是一般人容易忽略的地方，由於USB主要的功能是傳輸資訊，事實上很多的USB線，其5V的銅線粗細，並不足以承受1A甚至2A的電流。電阻過大造成充電電流不足事小，如果發熱燒毀造成危險，就絕對是因小失大了！

如何確定電流充足呢？除了觀看電流的程式來監控以外，由前幾段，你應該對電量和充電有一定的概念。以1500mAh的電池，1A充電，再考慮超過80%~90%時充電速度變慢的情形，大約二個小時左右充飽，是合理的情形，代表電流正常。若充到三小時、甚至四五小時以上，那就很明顯有問題了。

當然，如如果邊充邊用，由於CPU/RAM/螢幕等分走了電流，那自然充電速度就會大幅減少。以現在的手機而言，如果來源只有500mA，你同時使用導航，或玩遊戲，那恐怕會充不太進去，甚至還可能會有越充電越少的情形。

一般來說，除非不得已，是不太建議邊充邊用的，一般來說，一邊大電流充電，一邊重度使用(例如玩3D遊戲)將會造成手機急速發熱，影響手機和電池的壽命是一則。很多手機電池超過45~50度時，會自動停止充電來保護電池！

在不會造成手機發熱的情形下輕度使用，倒是無妨，只是這段時間會充得比較慢。

特別要注意的一點！！：手機和平板，為了怕從來源，如電腦，抽取過量的電流，所以必須是它能辨識的充電器，才會開放1A甚至2A的供電。否則，一般都是固定在500mA最安全的電流量。通常是將USB的D+D-短路(HTC)，或加上一定的阻抗使其在特殊的電壓值(Apple)。故除了選擇品質穩定，電流充足的充電器以外，務必注意手機是否能正確辨識此充電器，否則可能會空 有1A 或2A的標示規格，你卻只用得到500mA。

還有一個可能大家都有經驗的東西，就是有時候插上插頭，手機的螢幕就變得很難操作。這是因為電容觸控螢幕對微小的電流雜訊非常敏感，但因為你的旅充供應的電流雜訊過大，就會造成觸控的反應整個亂掉。基本上是不需要擔心因為這個問題影響手機的壽命，但是的確很討厭。解決之道還是使用穩定的充電器，不過有些手機若設計不良，電源的電磁幅射隔離不佳，也有可能連原廠充電器也會發生這樣的問題，只是程度差別，那就沒辦法了。

七、FAQ：
一些雜項，用FAQ來呈現好了。

1. 電池怕潮濕和熱嗎？
是的，由於電池都有保護電路等IC電子零件，它是很怕潮濕的。而由於電池充放電是化學反應，過冷和過熱都有可能對電池造成損壞。

過熱的問題，則建議盡量避免在天熱時，長時間使用手機，甚至邊充邊用。
(夏天導航的時候手機都會超熱，很傷...老婆叫我下次幫它做個小傘XD)

2. 為什麼電池上的貼紙變紅了？
現在很多電池都有一張一次性變色泡水指示貼紙，若它變成粉紅色(碰到水或濕氣)，那就建議不要繼續使用。

3. 電池為什麼會膨脹？還可以用嗎？
電池裡面因為過度充電或受潮等其它原因而產生了氣體增加，壓力增大的狀況。請避免使用，以免有短路爆炸的危險。

4. 第一次用要充滿八小時？
錯，這是鎳氫時代的老舊知識。請參考「五、充電」的「壓差」小節，充飽之後電流就是0，不會再充進去，沒必要把它放八小時十二小時。若覺得電池沒有活化到最大電量，使用幾個cycle即可。

5. 用座充會比較好嗎？
錯，這同樣是鎳氫時代的產物。旅充電流較大，座充較小，以前鎳氫電池用大電流充電會減損它的壽命，座充會比較好。鋰離子電池在一般旅充1A=不到0.7C充電下是不會影響什麼壽命的。

目前一般電信行附的座充通常非常非常便宜，電流可能只有 350mA。1500/350 = 4.29，充電可能要四、五個小時等到天荒地老不說，如果它的電壓不準(很常發生)，難保不會有充不飽(還好)和過充(嚴重！！)的問題。(鎳氫可以超壓充電，過充一小段時間無妨)

6. 把電池用到光是不是對電池很傷？
其實還好。雖然說鋰電放到3.0V以下就會有問題，不過因為正常的電路3.3V或3.2V就會強制斷電，甚至有些手機在無人使用的狀況下，還有3%~5%的電量就斷電了。況且斷電之後，除非說因為當機無法關閉或機器本身設計有問題而漏電。一般來說，現在的手機關機耗費的電力為微安培等級。就算放著不管，也要很久才會把你的電池放到壞掉。

所以如果一時忘記充電，也不用自己嚇自己，就趕快拿去充電就好了。

7. 有需要關機充電嗎？
邊用邊充是不太好，不過應該不用關機充電那麼偏執。就算關機充電，其實現在的 smartphone 也是會再做「開機」的動作，只是可能開到 bootloader 就停住，沒有開到 OS。充電的速度和手機耗電的幅度，其實和你手動按電源鍵關閉手機螢幕後相差無幾。

再說，關了機不就接不到電話了。

8. 到底要用到快完再充，還是要常常充飽，電池壽命才長？
參見本文「四、壽命」。其實現在鋰電技術進步，原廠電池的壽命和品質都有一定的保證，怎麼充電其實不是很重要。一定要說的話，由於電池的壽命是cycle數，所以儘量減少手機的耗電才是延長壽命的唯一方法。用越少，就充越少，電池壽命就越長。

所以怎麼充？如果都正常在使用，高興的時候充即可。

9. 電池不用的時候到底怎麼儲存比較好？
一般建議是充到50%~60%後，拔出機器外存放，而後至少每半年檢查一次。
為什麼不充到滿的原因是，電池長期(幾個月)處於滿電的狀況，也可能會有少量結晶化的狀況出現(有夠麻煩，對吧)。如果有正常使用是不需要太擔心這個問題，原廠電池一般結晶化抑劑得都不錯了。

10. 覺得電池的電量百分比很不準？
參閱本文第三段：電池的電量是靠IC記錄後，程式計算而得的。如果很久沒有用到快完再充飽，那有可能它無法反應目前真實的電量。此時將電池充滿、用到光、再充滿(1 full cycle)，就可以有校正電量的效果。

不過要注意的事，由於是由程式計算，如果有兩顆以上的電池在更換，通常就必須預期電量一定不準。因為兩顆電池狀況不同，無法得到真實有意義的數字。
(以Sony Ericsson的手機來說，只要一拆電池，系統的流量統計就會直接被清掉。必須經過full cycle後才能校正回來。)

11. 用行動電源好還是兩顆電池好？
這大概是習慣的問題。我個人支持行動電源，除了電量計算較不準的問題外，電池就算不用也會隨時間慢慢老化。現在電池使用壽命都還不錯，一顆電池對很多人就夠用了，兩顆電池相對來說其實比較不經濟。當然，如果手機非常耗電，常常沒電，無法固定充電，又不想接尿袋，那當然還是要多買一顆電池囉。

12. 原廠電池好貴，副廠電池好嗎？

當然不好。

只要是手機大廠，原廠電池必定有經過一定的認證過程，有比較好的品質保證。

副廠電池的缺點列舉如下：

電量標示灌水：很多來路不明的副廠電池，電量都標假的，電量遠不如原廠。
品質差：許多為中國小廠生廠，除了電量、壽命也差，還容易膨脹。
安全沒有保障：很多來路不明副廠電池，拆開來，看不到任何保護裝置，保護電路也有問題，你敢用嗎？
相容性不明：前面說過，現在的電池上多半有放IC。若像是Sony Ericsson只是單純讀取電壓及溫度的one-wire IC還好。HTC的電池都搭載I2C(一種界面規格)的晶片，若搭配晶片若品質不佳的副廠電池，有可能發生幾種情況：a. 讀不到電池ID，手機拒絕開機。 b. 使用中讀不到電量，強制關機。 c. I2C不穩，影響系統，最糟有可能導致手機當機。(以前也有遇過所謂「相容」的電池，一旦過放電低於3.1V，晶片就當機鎖死的狀況，放入手機無法充電，必須要直接對正負極強制充電才能救回的狀況。)

若一定要買，就挑口碑比較好的牌子吧。這邊就不幫忙建議了。

13. 手機會自動關機(或任何一種怪怪的)，但是只有用副廠電池會，原廠不會？
請參閱問題12。

14. 有些原廠電池賣得比神腦(台哥大、遠傳、etc...)便宜耶，那是什麼？
有些人說是散裝，不無可能，不過事實上，有些價格太離譜了，我覺得比較大的比例根本是騙人的假貨。(我可不是說比較貴的就一定真，基本上我相信的是官方通路。)

在這個連USB隨身碟容量都可以有假的的年代，這種不曉得從哪邊來的「原廠」電池，我是不敢買啦。

如果一定要挑便宜，就真的還不如挑比較有信譽的副廠電池。

15. 為什麼充電的時候觸控會亂跳？
充電電流雜訊對觸控螢幕的干擾。參見本文第六大項的最後一部份。

2012/01/12更新：
16. 承4，那睡前充電，充飽之後還一直接著八到十二小時會傷電池嗎？

建議千萬別這樣做...上次有人這樣 結果就佔用一個USB...

(...然後呢？)

就少一個USB插座用，很不方便。(大誤)

(不明白請洽 ptt 插座達人eggimage)

對不起，我實在是忍不住想放插座的哏。

不過答案還是不建議，原因有2：

A. 耗電：
正常來說手機只要插著，就無法進入真正的睡眠，就算 screen-off，CPU 還是會用最低"idle"的電流來跑，也許很低，可能25mA~50mA，但是長久下來還是造成電力的浪費，不節能減碳。

B. 保護電池：
另外若長期不拔插頭，電池一直在做無謂的充電，維持在4.2V，長期下來對電池也不是很好，會減損壽命。
現在一般筆記型電腦針對這個問題有做特殊處理，電量不到95%(看廠商設定)以下他不會再充電。不過手機的充電電路一般沒有做這麼複雜的演算法(換句話說，也是有廠商有做的)，就會一直充電。

不過，手機很少人會插著十天半個月不拔的，所以不必太擔心啦，除了你的電費以外應該是不會有太大的傷害。

2012/01/19更新
17.你說不建議邊充邊用，那如果有時候不得已一定要邊充邊用呢？

例如說手機電量不高，而且是夏天，但是還是要導航。如果不能避免就用吧，雖然說不建議，但是我也是這樣用的。

因為太多人問這個問題了，所以再詳細一點回答。

基本上不建議邊充邊用的理由基本上就只有溫度。
如果溫度很ok，就插著用吧，基本上和筆電也是沒什麼差別的。像在工廠的時候手機測試「燒機」也是插著電讓它跑N小時，是不會因為你單純邊充邊用就有事的。

幾個基本的耗電常識：

a. 手機一般在插電的時候會進入重視「效能」，而不重視「省電」的模式，所以CPU耗電會比較兇，也就比較容易發熱。
b. 插電的時候吃電優先從電源那邊吃，但是如果吃超過 AC 所提供的 500mA 或 1000mA，還是會抽電池的電。
c. 如果環境溫度已經滿高，加上充電，然後加上手機又在重度使用，例如說玩3D或導航，那手機溫度久了一定會高的。像現在冬天，室溫都二十度上下，我長時間插電使用，手機自然溫度也不會太高。

之前有一次，夏天+導航+充電，電池溫度計錄四、五十度，手機熱得嚇人，下車後打開連相機的sensor都熱到罷工，不讓我使用。你說...這對手機沒傷害嗎？電子產品一定怕熱，這就是我不建議的理由。但是..沒導航我回不了家啊，難道能不用嗎XD

保護手機是一回事，不過手機畢竟是個工具，也不必過度保護，況且，手機設計時都會經過高低溫測試，是不會因為一次上升到五十度就讓壽命大幅度的下降的，不要常常這樣狂操猛操就好。

當用，就用吧！