[電池] 判斷CR2025一次鋰電池的可能剩餘電量
2023-10-05 星期四
老人家說汽車遙控器的電池沒電，需要處理一下。
判斷方式
首先要確定電池到底剩多少電。
一個業界常用的方式就是使用 "開路電壓法"，量測開路電壓(Open Circuit Voltage, OCV)，來對應剩餘電量。
從網路上隨便查詢一下CR2025一次鋰電池的放電曲線。
REF: CR2025 Lithium Coin Battery
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| CR2025一次鋰電池放電曲線。資料來源: https://components101.com/batteries/cr2025-lithium-coin |
從放電曲線看來
3V表示滿電
從3V往下降到2.8V時，剩20%左右的電
降到2.6V時，剩20%左右的電
降到2V時，就沒電了。(嚴格來說其實還有一點殘電，只是實驗設定截止電壓為2V。)
實作
把汽車的遙控器裡面的電池拿出。
使用電流勾表的電壓檔位量測直流電壓 (三用電表放在公司了)，發現電壓為3.0V，表示電池幾乎是在滿電的狀態。
儘管電流勾表的直流電壓檔位，準確度只到小數第一位，沒有三用電表的小數第三位準確，但在判斷該電量問題，也足夠了。
若以四捨五入來看，量測到電壓為3.0V，表示電壓最低有可能在2.95V，但此時電量仍保持70%以上，所以應該不是電池沒電。
那可能就是其他問題了。
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後來發現確實是電池電力不足導致。需更換電池。
"電池確實有電啊! 但剩餘電力卻不足以支持設備運作!"
請見Po文:
[電池] 判斷CR2025一次鋰電池的可能剩餘電量。(更正版r1)
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加強認識
從剛剛隨便查詢的CR2025資料，順便認識該電池的相關規格。
Feature and Technical Specifications
Lithium Coin Cell
Nominal Voltage: 3.0 Volts
Maximum Current: 0.14A
Non - Rechargeable Disposal battery
Typical Capacity: 163 mAh @ 20°C 15kΩ Load
Service Life: ~680 Hrs @20°C 15kΩ Load
Typical Weight: 2.6 grams (0.08 oz.)
Operating Temp: -30C to 60C
Self-Discharge: ~1% / year
由於獻慶手上這顆電池是maxell品牌的，因此，就特別找該品牌的CR2025資料表來看看。
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| maxell CR2025資料表。資料來源: https://biz.maxell.com/en/primary_batteries/CR2025_DataSheet_20e.pdf |
在左上角的放電特徵(Discharge Characteristics)曲線圖中，我們可以知道這個實驗是在溫度20°C的環境溫度下，進行實驗。
從圖中可看出，隨著電池串連的電阻越小，電流越大，放電時間自然也就越少。
但這不是獻慶習慣看得C-rate對放電時間圖。所以要使用歐姆定律進行換算一下。
對1MΩ而言
V = IR
3V = I * 1MΩ
==> I = 3V/1MΩ = 0.000003A = 0.003mA
C-rate = 0.003mA/170mAh = 0.000018/h
其他，同理可算得
對300kΩ而言，I = 0.01A ，C-rate = 0.000059/h
對150kΩ而言，I = 0.02A ，C-rate = 0.000118/h
對 15kΩ而言，I = 0.193A，C-rate = 0.001137/h
這個C-rate很明顯小於動力電池的C-rate尺度，可見對於小型鈕扣電池，業界對於放電標示，採取不同於C-rate表示法的另一種做法。
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在右上角的溫度特徵(Temperature Characteristics)曲線圖中，我們可以知道這個實驗是在放電負載為15kΩ電阻下，進行實驗。使用4個特徵環境溫度，分別為60°C，20°C，0°C，-10°C。
選擇小一點的電阻，放電電流較大，實驗時間相對會較短，比較容易得到數據。
隨著環境溫度遞減，電池壓降也遞增，表示電池的直流內阻隨著溫度下降而上升。這符合鋰電池的放電特性。
而到2.5V時，放電曲線呈現一個反轉的現象，也就是環境溫度較低時，但卻稍後才到達截止電壓。反而放電放得比較久。這點與"電池的直流內阻隨著溫度下降而上升"的特性，有些衝突。
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在左下角的脈衝放電特徵(Pulse Discharge Characteristics)曲線圖中，我們可以知道這個實驗是在溫度20°C的環境溫度下，進行實驗。
這個脈衝，指的是電池串連一個300Ω電阻5秒鐘進行放電，圖左下角的小圖顯示出那5秒鐘的放電壓降，但這僅是示意圖，實際數值未給出。另外，資料表並沒有提供脈衝之間的靜置時間，無法知道詳細實驗狀況。
從圖上可以看出，大電流脈衝放電，會讓電池的放電容量，產生一定程度的衰減。
在串連1MΩ電阻下，進行連續放電所得的電池容量約為175mAh。
在串連300Ω電阻下，進行5秒脈衝放電所得的電池容量約為145mAh。
可算得容量保持率約為145mAh/175mAh = 0.829 = 82.9%。
也就是大概衰減了17.1%左右的電量。
這裡來評估一下，串連300Ω電阻，電流大概是多少。
由於資料表沒有給出，電池在脈衝放電時，電壓下降到幾V。這裡就假設為2.7V。
對300Ω而言
V = IR
2.7V = I * 300Ω
==> I = 2.7V/300Ω = 0.009A = 9mA
C-rate = 9mA/170mAh = 0.053/h
歐! 原來所謂的大電流脈衝放電，就是0.05C左右的放電。這個值與動力電池的1~30C脈衝放電，相去甚遠。
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在右下角的放電電流與放電容量關係(Relationship between Discharge Current and Discharge Capacity)曲線圖中，我們可以知道這個實驗使用2.0V作為放電截止電壓，進行實驗。
橫軸是放電電流，單位使用µA
縱軸是放電容量，單位使用mAh
從圖上可看出，
1. 在同一溫度時，隨著放電電流增加，放電容量會跟著減少。
2. 隨著溫度減少，放電容量也會跟著減少。溫度越低，減少的效應越明顯。
這些特性，跟鋰離子電池的特性保持一致。
這張圖一開始看起來很簡單，但認真看卻發現很難做。每一個點就是一組放電數據。雖然這張圖沒有打上數據點，但起碼也要有一定的數據量，才好連線。
根據獻慶的經驗，以上三張圖的全部實驗都做完，可能還不到這張圖的實驗數據的十分之一。
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魔鬼藏在細節裡，我們來看一下資料表中的備註。
原文:
* Nominal capacity indicates duration until the voltage drops down to 2.0V when discharged at a nominal discharge current at 20 deg. C.
翻譯:
* 額定容量指的是電池在20°C時，由額定放電電流放電到2.0V時的時間間隔。
獻慶看法:
要設定放電截止電壓，實驗才方便做。也會有一個明確的停止點。當然，放電截止電壓2.0V也是公認的一個做法。
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原文:
** When using these batteries at temperatures outside the range of 0 to +40 deg. C, please consult Maxell in advance for conditions of use.
翻譯:
** 當在0~40°C的溫度範圍外使用這些電池時，請詢問Maxell公司詳細的使用狀況。
獻慶看法:
表示在0~40°C的溫度範圍外，不是正常使用電池的溫度範圍。
但資料表中的 "工作溫度範圍 (Operating Temperature Range)" 是寫著-20~85°C。
這顯示了廠商某部分的矛盾心理。一方面要說電池可在寬的溫度範圍下工作(-20~85°C)，但又要表示0~40°C的溫度範圍外，不是正常使用電池的溫度範圍。
另一種說法是，在0~40°C的溫度範圍外使用電池，不保證其功能。算是一種免責聲明。
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原文:
*** Dimensions and weight are for the battery itself, but may vary depending on terminal specifications and other factors.
翻譯:
*** 尺寸跟重量是對於電池本身，但可能會因為終端狀況跟其他因素而改變。
獻慶看法:
資料表的尺寸跟重量請適度參考就好，可能會影響的狀況蠻多的。
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原文:
• Data and dimensions are not guaranteed. For further details, please contact us at your nearest Maxell office.
翻譯:
• 並不保證數據與尺寸。如果要更多細節，請找離你最近的Maxell辦公室聯絡我們。
獻慶看法:
電池在生產方面的一致性是不容易確保的。因此拿到的電池不一定會按照資料表的數據而表現。廠商就是知道這點，才寫在備註。
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原文:
• Contents on this website are subject to change without notice.
翻譯:
• 本網站內容如有更改，恕不另行通知。
獻慶看法:
啊檔案就是我自己下載的，他要怎麼通知到我。寫這個也是解決廠商的責任免責問題啦。
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Q: 有沒有注意到這個資料表，都是放電曲線跟放電容量，而沒有看到沒有充電曲線。
A: 為什麼沒有充電曲線，因為這是一次性電池，無法進行充電。二次性電池，才可進行充電。
這點正好拿來打臉一些網路歪文。這些歪文都喜歡說，透過某些特殊方法，可以對一次性電池進行充電。這些文，講了方法，但都沒有實驗，也沒有數據證明。真的是，"用講的，最厲害!"
感想
偶爾認真看一下資料表，也可以學到不少東西，讚! ^_^
社群媒體討論平台
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[電池] 判斷CR2025一次鋰電池的可能剩餘電量
— HsienChing (@HsienChing_) October 13, 2023
老人家說汽車遙控器的電池沒電，需要處理一下。
該如何處理?
更多請看:https://t.co/HroFQ3hhGe
意外狀況:
2023-10-14 星期六
準備要將Po文到自己的FB時，竟然顯示"沒有貼文"，看起來全部的貼文都消失了。冏!
如果不會恢復的話! 那就 "Let it be!" 囉! ^_^
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| FB顯示"沒有貼文"。截圖時間: 2023-10-14 00:21:08。 |
經過幾小時後，回來刷新頁面，竟然看到貼文回來了。哈!
相關連結:
Keysight:
How Are Coin Cell Batteries Tested?
這裡有介紹量測鈕扣型電池的方式跟儀器。
GOOD! ^_^
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