1. 鎳鎘/鎳氫電池的原理及充電方法峰值偵測
鎳鎘電池使用/鎳鎘充電電池應用
時間: 2008-4-23
來源：網上轉載 作者：不詳
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基本電學公式 OvNaF24t
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首先來介紹幾個很簡單的基本電學公式,希望讓沒有電子方面背景的讀者們能對幾個物理現象有點概念. .>,RZx:](
電壓(V) = 電流(I) x 電阻(R) * t&O>!=
電荷量(Q) = 電流(I) x 時間(T) Dl6( v)
功率(P) = V x I = b_u0EL/&
能量(W) = P x T = Q x V !z|arc
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任何物體都有阻抗,在阻抗兩端加上一電位差則會產生電荷流過該阻抗,阻抗越大則單位時間內(一秒)流過的電荷量越小,阻抗越小則單位時間內流過的電荷量越多.若將電位差增大則單位時間內流過的電荷量越多,將電位差減小則單位時間內流過的電荷量越少.此電位差稱之為電壓(V),單位為伏特(V),單位時間內流過的電荷量多寡稱之為電流(I),單位為安培(A),阻抗稱為電阻(R),單位為歐姆().電流(I)強度越大表示單位時間內流過的電荷數目越多,那麼在在T秒內流過電阻的電荷數目總共有I x T,用以描述此電荷量多寡的名詞為電荷量(Q),俗稱稱電量,單位為庫侖(Q).電阻消耗的功率(P)為I x V,單位為瓦特(W),消耗功率越大代表越耗電.,消耗的能量(W)為 P x T,單位為焦耳(J),時間越久消耗能量越大,同樣時間消耗功率越大的消耗能量也越大. i #w;zE
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例如: 一顆1.5V的乾電池接上0.5的燈泡時,消耗電流為3A,消耗功率為4.5W,10秒鍾內共流過了30庫侖的電荷,消耗了45焦耳的能量. TF+mD
鎳鎘電池 的材料電池的分類有很多種,在化學電池中不可充電用完就扔掉的電池稱為一次電池,可以多次充電再使用的電池稱為二次電池,而鎳鎘電池是屬於二次電池中鹼性蓄電池的一種.鎳鎘電池在材料方面陽極是使用過氧氫氧化鎳,陰極使用鎘化合物之活性物質,電解液則是使用氫氧化鉀等鹼性水溶液.當對 鎳鎘電池 充電時,會在陽極上面產生氫氧化鎳,在陰極上面產生金屬鎘,因而在兩極間形成了電位差.將 鎳鎘電池 的陽極和陰極兩端外接負載放電時,陰極端產生帶負電的電子經由外接負載流向陽極,因此提供能量供外部負載消耗. a'1]"ChGp
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過度充電 5(acK{3tw
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在充電過程中電池的電壓會隨著儲存電量的增加而逐漸上升,當電池儲存的電量達到飽和電極材料無法繼續充電時,若繼續充電則電解液會起電解,並且在陽極產生氧氣,在陰極產生氫氣,如此會在密封的電池內部造成內部壓力上升,會對電池內部結構造成破壞.像這種現象稱之為過度充電. oJB,V/Yez
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為了避免過度充電電池遭毀損,通常將陰極之容量製作得比陽極容量大,如此當過度充電時陽極會先達到飽和並產生氧氣,而陰極卻未飽和而不會產生氫氣,陽極產生的氧氣擴散到陰極之後會與充電產生的金屬鎘起化學反應吸收掉氧氣,且此反應的速度與金屬鎘產生的速度平衡,因此可以有效地避免電池的壓力上升.但是若充電電流過大(使用快充時)就會失去平衡,電池的內壓過大會將電池的安全閥推開,氫氣和氧氣會泄漏到電池外部,直到壓力降低安全閥關閉電池才又再密封起來.但是氣體的泄漏已使得內部化學材料減少,造成電池壽命的縮短. p^{)X c8 G
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充電電壓的變化 _izYyB w
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電池過度充電時,因為陽極產生的氧氣與陰極起化學反應會產生熱,使得電池溫度會上升外殼發燙.由於溫度越高電池的充電電壓會變得比較低,因此充電時電池電壓會持續上升直到過度充電時,電池溫度會突然地快速上升,電壓不再上升轉而由峰值開始下降. :L'dQbF!
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標稱電壓 xk "iX(
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鎳鎘電池在標准放電條件下放電時,電壓會緩緩地下降直到當電量幾乎釋放完時,電壓會大幅度地下降,此電壓值稱之為標稱電壓.一般 鎳鎘電池 的標稱電壓為1.2V,與一般乾電池標注的1.5V是相同意思,都是標注於電池外殼上面. 鎳鎘電池只要有電量電壓值一定至少在標稱電壓1.2V以上,儲存的電量越多電壓也越高. Y]u<E;yE-D
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放電終止電壓 e.M#NRR3BZ
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電池在放電時其電壓會隨著電池電量的減少而逐漸降低,當電壓降到所要求的准位時就不再讓它繼續放電,稱為放電終止,而此電壓准位稱之為放電終止電壓.通常廠商建議的放電終止電壓約在0.9V ~ 1.1V左右,電壓放電到此准位時電量幾乎已經放光了,此狀況稱為完全放電.鎳鎘電池已經完全放電了還不移掉負載而讓它繼續放電下去,那麼就成了過度放電,電壓會急速下降直到0V為止.若電壓尚未降到0V左右就終止放電,則電池電壓會自動快速回升到標稱電壓1.2V左右. R0 =!G:%9G
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過度放電 ?ATx.iS
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鎳鎘電池的一大致命傷就是被過度放電,將放電終止電壓設定在此狀況下,不但沒有電力可以推動負載,對電池壽命也會造成損害.而且一旦不慎讓電壓繼續下降到幾乎等於0V時,就算想終止放電把負載移走恐怕也來不及了,電池的電壓無法再自動回升,一般的充電器也無法再把電充進去,它的電壓會一直固定住停留在0V不動.此刻的它就像是中風似的癱瘓在那邊,就別說折壽了,更是往往一命嗚呼哀哉不能再使用了. ~i v&,Rm
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電池容量的定義 PT+RUgQ*V
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電池的容量系指對電池放電,直到電壓降到終止電壓為止,在這期間所能取得的放電電荷量.若是在規定的電流和溫度等標准放電條件下,對充飽電的電池進行放電直到放電終止,所得到的容量稱之為額定容量(或標稱容量).容量的大小與其所消耗的電極材料之活性物質的量有關,而標准放電條件則是依照電池種類的不同有所規定.容量是根據電池的放電反應來定義,而非充電反應來定義,因此我們常說的電池容量有多大,是指放電時可得到的累積放電電荷量有多少,而非充電時流進去的電荷量有多少. 1 y[|mk'V
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電池容量的表示法 Yjen@pK
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電池的容量的大小,可以用[(放電電流)x(電壓降到放電終止電壓所經之放電時間)],計算後所得到的值來表示.之前所介紹的基本電學公式中,電量為電流x時間,單位是庫侖(Q),電池若以多少庫侖來表示電池容量的話,可能是比較不好理解,因此電池的容量都是把電流x時間的值,直接以C=IT(單位以mAh或Ah)來表示,其中C是容量(與庫侖是同意義),I是電流,A是安培,mA表示電流大小為豪安(千分之一安培,A),h代表小時(hour),也就是說以千分之一安培的電流放電一小時所累積的放電量為1mAh.因此C=I x T = 多少mAh, mAh就是庫侖的等效表示方式.通常電池的外殼包裝上面都會標明電池的額定容量,用來表示該電池的最大容量.新的鎳鎘電池在第一次充放電時容量都可以達額定容量,但容量會隨著充放電次數的增加而減少. ~9N`}xQAA
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例子: 以1安培電流放電需要二小時才能將電池電量放光,那麼電池容量約為2000 mAh.若將電池容量以庫侖來表示的話,那麼C = I x T=1A x 7200 sec =7200 庫倫.您是不是也發現用2000 mah來表示比用7200庫倫來表示比較不空洞而明了多了呢 Lv6%n8 Tp
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C表示式 |l}tVBs
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電池除了以安培(或毫安)做單位來表示電池的充放電流大小之外,也使用英文字母C(capacity)來當作額定容量(電流x時間)之電流部分,以它做為電流大小衡量的單位.比如說額定容量600mAh的電池,C就是600mA的意思,所以電流1C就是600mA,電流2C就是1.2mA,電流0.1C就是60mA.以後購買電池時若在規格上找不到充放電流的安培數時,請先別著急,別忘了找找看有沒有寫著多少C喔. LDUK 1}~
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充放電率 V4Ou$*mL
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所謂充(放)電率是將全部容量的電荷放(充)完所需要的時間,做為充(放)電時的標准速度.一般用來說明放(充)電的速度是多少,比如說二小時率的放電,是指用0.5C的電流,在二個小時的時間將電池全部容量放完.20分鍾率表示用3C的電流在20分鍾內將電池額定電量全部放完.在廠商的電池規格書上面,也常使用小時率來表示標准放電時間,只要根據額定容量來換算就知道標准放電電流是多少了.通常廠商提供的規格上額定容量是以溫度20℃,而放電是以5小時率0.2C的條件來量測. =DyF%#
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充電效率 i>nFN
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電池不可能充多少電量進去就能儲存有多少電量,一定會有所耗損,除了陽極和陰極漏電間的絕緣體漏電之外,材料也不可能無瑕地儲存所有電量.電池放電時取出的電量與充電時流進去電池的電量之比,稱之為充電效率. z \) #x|
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通常電池廠商都是建議充電量必須為額定容量的1.5倍,才能將電池充飽.也就是說若以0.1C的電流充電需要充15小時,以3C的電流充電需要充半小時,雖理論填充量是額定容量的1.5倍,但實際填充量差不多剛好為額定容量. > zDm#ruc
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利用率 BTV= pP
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雖然理論上電池的額定容量很大,但實際上充飽電後再放電時可得到的電量卻往往小於理論容量,表示電池可儲存的實際儲存容量並沒有那麼大,此實際容量相對於理論容量的比率稱之為利用率.通常電池的放電電流越大,或者周遭溫度降低時,利用率會減小. &-eBJpE
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放電深度 lfZy[1<
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電池放電時所放電量與所儲存電量的比率稱之為放電深度,比百分比表示.例如放電深度20%表示電量放電到剩下80%電量的程度. jkqNm(l z
周期壽命 fV+\~*
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通常鎳鎘電池在應用上都是拿來做反覆充電與放電的周期性工作,電池的壽命是有限的,容量不可能一直保持而不下降,在一定的工作條件之下反覆充放電之後,電池的容量會下降到額定容量的80%(或定義在60%).此反覆充放電的次數稱之為周期壽命,周期壽命越高表示該電池的使用壽命越長.有些電池的參考規格上面會標明充放電周期,寫著放電深度多少時約多少次,意旨周期壽命.隨著充放電流,放電深度與其他充放條件的不同,周期壽命也隨著變化,尤其是使用大電流充放電時,一定會有壽命縮短的現象.現在的鎳鎘電池只要依照購買時廠商所附的說明正常地使用,通常都可以反覆使用500次以上. ;BT$<`kp%'
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電池內阻與電壓 O_iNcMBu
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電池是有內阻的電壓源,可以視為是一個理想電壓源(沒有內阻)串聯一電阻輸出.未接負載時電池兩端量到的端電壓就是理想電壓源的電壓,稱之為開路電壓,當電池外接負載時,負載與內阻串聯接到理想電壓源上,因此負載上所得到的分壓也就是電池的端電壓,會小於理想電壓源的電壓,稱之為閉路電壓.電池的內阻越高則負載可分得的電壓就越小,因此理想的電池是沒有內阻. | C7z7@
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鎳鎘電池的內部電阻非常的低,一般只有幾毫歐姆到數十毫歐姆左右,因此外接大小不同之負載時放電電壓還是很穩定,放電電流曲線很平坦,可以做大電流放電使用.一般乾電池內阻動輒數歐姆,放電電壓不穩定放電電流曲線不平坦,相較之下鎳鎘電池屬於特性較理想的電池. % "B^&J
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自放電 YrlHn `j
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電池由於內部會起化學反應的關系,內部會自我放電,雖未外接負載但是電池所儲存的電量會隨著時間而逐漸消失.自我放電的速度稱為自我放電率,周遭溫度越高時自我放電電流也越大.根據專家實驗的結果,鎳鎘電池在0℃時約三個月會放電20%使殘余容量剩下80%,在20℃時一個月約放電25%,三個月放電40%,若溫度越高45℃時,一個月就已經放掉70%的容量了.因此,在夏天電池充飽電後只要短短幾天的時間,容量就剩下80%甚至50%了,難怪專家建議,最好的保存方法就是將電池密閉包裝妥當後置於冰箱中冷藏(不能受潮),不是沒有道理的. EQ@7J B
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連續放電與間歇放電 24 _D cHg
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連續放電是指電池在放電過程中不中斷,持續放電直到電池的電壓降至放電終止電壓才停止,間歇放電則是指放電過程中電池與負載之間的電流通路斷斷續續,時而導通時而斷路,直到電池的電壓降至放電終止電壓為止.電池在放電過程中電壓會慢慢地持續下降,若過程中暫時停止放電則電壓會馬上上升回復到某一準位才停止,若再繼續放電則電壓又從該准位開始下降. /z%aT+Y>7E
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連續放電方式的實際放電時間與放電期間是相同的,而間歇放電的實際放電時間則是放電期間電流通路導通的時間片段累積和.比較相同容量的電池以兩種方式進行放電時,在同樣的終止電壓下,由於電池電壓會回復的關系,間歇放電方式的實際放電時間會比連續放電的實際放電時間還長,且間歇放電方式所釋放的容量也比連續放電方式的放電容量還多. {XX<5suT
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一般的電池都有上述現象,使用大電流來放電時放電容量會無形中減少了許多,而使用間接放電方式會比連續放電方式多出更多容量,尤其當電池外接重負載(負載電阻越小)時差異現象越是明顯.鎳鎘電池的內阻小短路電流大放電曲線平坦特性佳,一般情況使用連續放電與間歇放電時容量差異不大,但是電動槍的馬達在由靜止開始運轉啟動之際,阻抗非常的低是屬於重負載,電池的放電電流相當的大,間歇放電方式產生的效果就非常明顯了. [yO SAm0>
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根據經驗電動槍使用全自動射擊時,往往打沒幾百發電池就令人錯愕的沒電了,這與廣告上所號稱的可連續射擊1000發的吹噓差異甚遠,不知是電池品質不好還是怎樣,年紀輕輕的還沒被你摧殘就欲振乏力,或者開始懷疑電槍的mecabox內部有問題.但是若您願意嘗試克制一點不要那麼興奮,盡量使用單發射擊而少用全自動胡亂掃射揮霍BB彈的話,您會發現您的電池還可以打個好幾百發沒問題,電池品質好不好也可以從發射彈量來做比較客觀地的分析. S td5")[3)
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溫度對電池的影響 |JTUPeKM
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鎳鎘電池是*化學物質的反應來動作,化學材料往往會自我消耗,在溫度高的環境下自我消耗的情形會較嚴重,容量會降低,也可能會有漏液與生銹的情形,在高溫下進行充放電更是會對電池造成破壞降低壽命.鎳鎘電池可穩定工作的溫度范圍還算很廣,充電約0 ~ 45℃,放電約-20 ~ 60℃,保存約-30 ~ 45℃,平常最好保存於較冷但不潮濕的地方. F:( $
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溫度對於電池的壽命以及充放電特性影響很大,充放電時若環境溫度越高,則電池的材質受到破壞,極版之活性物質的功能降低使容量減小,陽極陰極隔離版間的隔離版絕緣降低造成短路,且溫度升高電池之電壓也變得較低,充放電效率降低了許多,電池的容量大大地減少.因此除非使用的 鎳鎘電池 是耐熱型的,否則充放電時應留意電池的溫度,不要使用過大之電流充放電以免溫度過高. bA$m :z?
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充電方式 fm IWa|-5
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鎳鎘電池若不以當備用電源為用途,而是以反覆性的充電和放電來使用時,根據電流的大小可以把電池的充電方式分為標准充電與急速充電(快充)兩種,標准充電是指參考電池額定容量以0.1C的電流,對電池作14~16小時的充電,也就是說充電容量大約是電池額定容量的1.5倍時可以將電池幾乎完全充飽.急速充電是使用較大的電流充電,並且在充電末期對電壓與電流加以控制防止過充電.急速充電的電流大小一般約在0.3C左右,使能夠在4~6小時完成充電,現在有些超急速型的電池,能以1.5C或更大電流做超急速充電,在不到一小時的極短時間內完成充電動作. 0gI hOkli
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一般型的鎳鎘電池若以快充方式來充時,產生的氣體無法快速吸收會嚴重的影響電池壽命,雖然標准充電方式耗時數小時,為了電池能用久一點好是遵照此方式來充比較好.快充型的電池是比較能能夠承受大電流,不過使用大電流充電對電池而言絕對是沒有好處,不同廠牌之電池的品質良劣參差不齊,對使用者而言廠商標榜的規格是否有誇大事實並無從得知,除非該電池之性能口碑值得信賴,否則時間不催促的話最好是以標准方式來充. Z,vz_ Mn
使用在急速充電里預防過充電的偵測方法,比較常見的有定電壓控制,溫度上升控制以及控制,或者三種方式混合使用. t L'!iF]
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定電壓控制 pXiH)Z^M
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當偵測到電池電壓上升到設定的電壓准位時就停止充電.這種方式是最簡單的方式,只要根據電池特性知道電池的電壓上升曲線,就可以將偵測電壓設為最接近充飽時的准位,不同款式的電池充飽時之電壓准位不大一樣,新舊電池特性也不一樣,用此方法比較無法設定理想電壓.這種方式雖然簡單但也相當危險,前面說過溫度較高時電池電壓會降低,以大電流充電更是會提高電池溫度,如此電池有可能已經充飽但是電壓卻尚未達到設定的准位,且電池充飽後電壓不再上升而開始下降,如此的過充電後果相當嚴重,若加上電池發生內部短路充電器未具備保護電路時,一旦電流過大造成危險後果不堪設想,因此在此方式進行充電期間,使用者必須加以留意. A, ;U$j8X
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溫度上升控制 L"<]D _<
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電池容量充到飽和時產生的氧氣會在陰極和鎘反應產生氧化熱,電池的溫度會開始快速上升,利用此現象偵測到溫度到達某程度時既結束充電.在同樣的充電量下充電電流越大此上升的溫度也越高,因此若充電電流過大時,達到預定之溫度時電池可能尚未飽和,但是電流若太小,則氧化吸收快溫度就不會明顯上升,充電動作就會一直持續下去而不知終止.此外這種方式會受周遭溫度影響,無法判別電池的溫度是內部自行產生的化學熱,還是由周遭環境引起的高溫而誤判,因此此方式在高溫的環境下會充電不足而低溫的環境會充電過度. Jf@ \^w
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控制 H; njrO
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充電時電池的電壓會隨著充電容量的增加而升高,當充電容量達到飽和時,電壓上升到峰值,並轉而開始緩慢下降.利用此電壓下降的特性可以用來控制充電終止,待電壓下降幅度達到時即停止充電,通常1.2V的鎳鎘電池其下降幅度差不多會有20mV以上(實際之數據得參考電池規格),在充電過程可以以電表明顯的觀察出來.電池電壓的充電曲線受到充電電流與溫度的影響,在同樣的充電容量下,電流越大或溫度越低時,電壓上升的幅度較大,下降的幅度也比較明顯.電流越小或溫度越高時,電壓上升的幅度較小,下降的幅度也較為平坦不易分辨.因此控制方式比較適用在急速充電的方式里,且為了避免溫度的影響使偵測失靈,通常配合溫度上升控制使用,以 Q#?]mTVcA
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防止過充電. Jc|XkX"dT
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鎳鎘電池若經保存過久未使用,或者已經日薄西山,那麼初次再行充電的前幾分鍾,會發生電壓不但充上去且還往下降的情形然後再上升的情形,因而造成的誤判而終止充電.控制方式是較佳的控制方式,特性不同的電池仍能可利用的特性來對電池作完全充電,比較不用再擔心電壓控制設或溫度設定出問題而傷害電池. OZn)mZbJd(
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目前許多高級的微電腦控制型充電器都是使用此種控制方式,且價格比一般充電器昂貴,有些雖然打著的名號,實際上其控製程式以及充電電路設計得並不怎好,對也往往有誤判的情形發生,不是將電池充到可以煎雞蛋,就是連充都還沒充到就罷工判斷電池已充飽,因此比較好的充電器除了增加溫度控制之外,再根據充電時間,電壓與電流的大小變化,計算出充電容量,並且判斷出是否電池真已達到飽和. 9tia1I<9W
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而電壓力鍋5升50攝氏度。查看一下操作說明書。
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蘇泊爾cysb50yc9-100顯示屏只顯示OE.壓力顯示20.30煮飯建按下不工作.
剛才我描述的是按下煮飯鍵後出出現的情況