行動電源安全隱憂！電池原理與安全性探究：金屬鋰活性高，做好防護才是好產品

讓專業的USB-IF來

瞭解了政府奇怪的測試電量方式後，來談談負責制定USB充電規範的USB-IF相關標準。負責制定USB相關標準的USB-IF，在2011年10月12日發佈了Battery Charging 1.2規範，其中定義了充電時的USB埠電壓波動和電流輸出能力，以及裝置之間該如何得知目前連接的USB埠的電流輸出能力。

在標準中，供電的USB埠電壓必須在5V±5%之間，也就是4.75V～5.25V之間。充電電流方面則因USB埠的角色不同，而有500mA和1500mA的差異。一般的電腦USB埠在BC 2.1內稱為SDP（Standard Downstream Port），提供與原始的USB規範相同的500mA電流輸出能力。另外2種USB埠的角色稱之為CDP（Charging Downstream Port）和DCP（Dedicated Charging Port），這2者皆可提供1500mA的電流，差異在於CDP還可同時傳輸資料，也就是SDP的電流加強版，DCP則是專門提供充電的USB埠，譬如直接插上牆上插座的USB變壓器，不提供資料交換傳輸的功能。在CDP和DCP的電壓規範中，過沖（overshoot）和下沖（undershoot）更是不能超過6.0V和低於4.1V。

待充裝置對供電能力的判斷

有了電壓電流規範，那麼待充電裝置（Portable Device）該如何得知目前這個插入的USB埠是SDP、CDP、還是DCP呢？在Portable Device裝置插入時，會在Data＋上輸入0.5V～0.7V的電壓，接著檢測Data－的電壓；如果Data－的電壓和Data Detect Voltage（0.25V～0.4V）相比起來比較低，則代表這個USB埠為SDP，只能汲取500mA的電流；如果Data－比起Data Detect Voltage還要高，則表示此USB埠為CDP或是DCP，可汲取1500mA的電流，但實際上是CDP或是DCP則需再進一步檢測（CDP利用邏輯電路將Data－饋入0.5V～0.7V的電壓，DCP則是直接利用1個最高200歐姆的電阻直接將Data＋和Data－短路）。

接下來Portable Device為了進一步得知此USB埠為CDP或是DCP，會將Data－的電壓拉高至邏輯高電壓2.0V～3.6V，接著再看看另外1根Data＋的電壓，如果電壓也拉高了，代表此USB埠為DCP；電壓沒有拉高，則表示此USB埠為CDP。

▲Battery Charging Specification 1.2和先前的1.1版有著細部上判斷的不同，本文敘述以1.2版簡化為主。

充放電循環正確計算

由於鋰離子電池不會有記憶效應的問題，只要不過充和過放，在合理正常的溫度下使用，鋰離子電池能夠做到超過500次的深度循環，部分產品甚至能夠超過千次的充放電。鋰離子的使用習慣也與傳統上的鎳氫/鎳鎘電池不太相同，以前會為了盡量避免記憶效應導致電池容量減少，通常會將鎳氫/鎳鎘電池用到沒電再行充電，而鋰離子電池沒有記憶效應的問題，不必完全放電就可進行充電。

鋰離子電池的充放電次數以實際使用量統計，譬如今天你將電池放電至一半容量後充電，對電池的充放電次數就是0.5次，而下次你把電池放電至30％的容量後充電，充放電次數就算0.7次。此外，過去部分使用充電電池的產品，於說明書上會標明第一次使用時請盡量充電8小時以上，這點在目前的鋰離子電池上也是沒有用的，因為鋰離子電池為了避免過充，都會由晶片控制充電量，一旦判斷電池充飽了便會停止充電，把充好的電池和變壓器一直連接在插座上只會浪費電而已；此外部分鎳氫/鎳鎘電池充電器在充電完畢時會轉為涓充模式，避免電池自放電效應減少電池使用容量，這部分同樣也不適用於鋰離子電池。

▲截稿之前BatteryBox推出1款12000mAh的行動電源，原廠號稱即使在經過3000次的完整充放電之後，依然能夠保有96％的電容量。

充電策略分3階段

因應鋰電池的特性，其充電時的電壓和電流大致上可分為3個階段：

1. 預充：充電控制晶片先以較低的電流量對鋰離子電池充電，這時候並不以充電為優先考量，而是以低電流向電池檢測健康狀態，如有電阻異常增大、溫度過高、電壓異常情形等，便會直接斷電，避免對已損壞的電池進行充電，產生爆炸疑慮。

部分晶片可針對過放電電壓過低的鋰電池進行預充電，在電池電壓達到3V以前先以小電流充入，等到電壓回復至3V以上，即跳入下一階段。部分沒有支援電池健康檢測或是允許低電壓充電的充電晶片，就不會有預充這個階段。

1. 恆流充電：在此時充電晶片以固定的電流量為電池充電，一般來說雖然鋰離子電池能夠接受1C的電流充電，但為了延長電池的使用壽命，大多數時候使用1A以下電流充電。此階段大約等到電池電壓接近4.2V時，就會跳入下一階段。
2. 恆壓充電：在鋰離子電池充電至電壓接近4.2V時，充電晶片就會改採固定4.2V電壓進行充電，由與此時電池的電壓逐漸接近4.2V，所以充電電流會逐漸減小，直到4.2V時完成電池充電，充電晶片便會停止電量輸入電池。

▲1顆鋰離子電池充電時的電壓、電流、容量的變化圖，可以看到3個充電階段的交互關係。