1 引言
在未来的若干年中，用于提高产品能效的资金投入预期会有迅速和较大幅度的增长，以使温室效应有害气体排放量减少的内部目标，以及诸如加利福尼亚(Califonia)州的AB32法规提出的规定目标得以实现。Califonia州AB32法规要求：到2020年，估计在该州内的有害气体排放总量将每年增加大约1%的情况下，全球范围内有害气体排放量的绝对值要下降25%。为此，针对电器电子产品的温室效应有害气体排放量的绝对值则应减少70%到80%，只有达到这个目标，才能达到稳定全球气候的要求。
加利福尼亚州能源委员会(CEC—Califonia Energy Commission)已经提出了一系列初步的关于节能减排的方针政策，包括对那些外供电源和其它多种类型的高能耗设备装置提出了强制性的能效要求，批准了多种围绕能效政策的附加标准文件。针对电池充电器和其它高耗能产品的标准文件则要求最迟于2007年下半年下发施行。
美联邦能源管理部门也对外部的供电电源和电池充电装置制订了强制性的能效标准。欧盟国家和中国等也评估了强制性能效标准并制订了相关的方针政策和制度。通过他们在高耗能产品方面的艰苦努力，有效地改善了供电电源和电池充电装置的能效。
然而，这些标准文件和政策法规只是适应了电子电器设备用户的要求。电池充电器和可再充电电池制造厂商的业界人士会问：我们应该做些什么才是正确的呢？现在节省下来的电能之中，至少有70%被我们的产品浪费掉了，我们可以更好更多地做些什么呢？
现在，这些产品制造厂商着手降低能耗的改革，意味着可以进行两件不同的事情：以市场引导技术，使高能效电池充电器在销售还处在自发状态时抢占市场份额；或者在规章制度规定的截止时间快要到来之前，从管理部门那里取得经营许可证。
对几百种用于实验室和家庭的不同类型的电子产品进行综合市场调研和测试其能量消耗的状况之后得出的结论是：ECOS的调查断定，如今全美国正在使用中的电子产品数量多达3.6×109台（套），这些设备每年消耗的电能大于300×109KWH。这个数量大约是全世界各国所消耗电能总量的1/10。
在被调查和被检测的这些产品中，绝大多数的产品有机会在改进AC-DC功率变换中得到节省能量消耗的能力。改进AC-DC功率变换器设计的任务和目标，已成为遍及全世界的强制性和自发性规章制度的焦点。下一个有机会获得节能最大效果的场所将在电池充电器的设计制造过程中。因为，全球现有的电池充电器数量超过1×109台。由ECOS对现有电池充电器产品的耗电状况调研结果，为改进这些充电器的效率提供了充足的依据，这些调查结论将有望成为电池充电器效率制订的标准和测试程序。
2 提高电池充电器能效的契机
ECOS调研了包括可再充电电池在内的当今正在使用中的充电器产品。在美国，估计这类产品每年消耗的电能约为42×109KWH，粗略地计算其费用，意味着每年要为这些产品的工作支付的电费帐单将高达＄4×109美元。虽然在通常情况下，每个单台产品独自消耗的电能是很少的，但大批量产品所需要的供电量则是十分巨大的。
在许许多多种类的产品中，调研部门选取62种不同类型的电池充电器产品进行了耗能状况的能效测试。从ECOS研调所作出的研究报告和电力研究所(EPRI—Electric power Research Institute)监测所提出的一些产品鉴定说明书中，清晰地揭示了在每个种类的产品中，最高能效等级和标准能效等级两者之间能耗值存在着非常明显的差距。一般情况下，高质量的电池充电器产品要在其按最高能效等级标准的设计制造中求得。
● 一般地说，最高能效等级的产品能够有效地将配电箱中电源插座的交流(AC)高压电能变换成直流(DC)低压电能（效率在75%~90%之间，这是因为在功率变换中的前期损耗不能通过后面巧妙灵活的电路设计予以弥补）。建立在低成本基础上的传统线性电源通常只有40%~60%的效率，并且它们还可能消耗掉用电设备本身电源的很多瓦功率，而在严格要求高能效的产品设计中，只允许待机电源系统消耗0.5W或更低水平的功率。
● 为了确定充电状况，最高能效等级产品被仔细地监视着充电过程，此时，充电器只需要提供电池所要求维持能量的最小值。作为化学电池维持能量只需要一串脉冲中的一个脉冲，因为较高的自我放电可以有效地改善产品的功效，超过停止充电时的电平。
● 为了满足设备消耗电能的要求，最高能效等级的产品能够足够快速地为其电池充电，但在采用机械通风冷却设备时，快速充电可能使得电池承受不了大量的发热。
● 当电池从充电器上取下时，最高能效等级的产品实际上被拔掉了电源。在没有电池存在时，使用简单的机械或电气开关从交流电源干线切断电源。
● 最高能效等级的产品实际上是使用锂离子基(Li-ion)或铅酸(Lead-acid)化学电池，以便在充电和放电过程中获得最大化的电量效力，并使自放电过程中的损耗最小化。镍—镉(NiCd)和镍—金属氢化物(NiMH)电池在放电、充电和维持充电时，其正常的工作效率将会被降低。
对于目前的充电器系统，应该综合它们在效能设计上的最基本实践经验，普遍地进行重新设计，以能获得最高能效等级的充电器产品。这样，将可以使它们每年消耗的电量从42×109KWH降低为23.5×109KWH。由此就节省5.5 Rosenfelds—相当5.5座新的标准燃煤发电厂的输出电量。目前建造一座必须具有传输线亚结构的如此规模的燃煤发电厂需要投资＄1.5×109美元（1 Rosenfeld=3.33×109KWH/年）。重新设计电池充电器的更多基本目的是获得效率的最大化、产品尺寸、重量的最小化和有利于携带，还要节约更多的电能。重新设计的大多数电池充电器产品达到了节能70%~80%的水平。
3 电池充电器效率的测量
在对特殊型式的电池充电器设计进行深入的探讨之前，考虑一下应该采用什么度量方法和测试程序来测量充电器的特征和能效是有益的。电池充电器系统能效的通用概念是简单明了的：即用它的输出能量除以输入能量的百分率来表述（见图1）。这说明，将交流(AC)电源变换为直流(DC)电源时，充电器的控制电路和电池本身都是电池充电系统的部件。
然而，在测量输入和输出电能时，电池充电器将完成什么任务呢？首先，我们看到，凭借电池通过其充电器将交流电能的电荷补偿给直流电能所需要的电荷。这项研究在理论上是简单明了的。但是，它不足以供应维持模式所需要的电能，但可以供应待机模式使用的电能。在未提供电池的情况下，充电器在给连续地消耗能量的设备电源不停地供电。
在电池不给设备供电时（待机模式）以及被充分地充了电的电池处于维持模式时，电池仅被看作其能量在使用之中。这项研究可以简化测量任务。这虽然完成了预期的测试充电电池的任务，但是因为其过程中遗漏了器件本身的最大消耗而致使测量无效。
幸运的是，将这些研究结合起来变成单一的测试程序是可能的，并且是有实质性利益的。这样可以快速地完成一些充电器的充电过程（在30分钟内或更短时间内），然后，突然地降低到很低的功率，便很容易地辨别维持模式。对其它的充电器模糊地描述了非常类似的交流功率电平，并未去注意充电状态——它们正在充电或者要求用多长时间充电。
综合测试程序没有企图要求明确地辨别两种充电情况——维持模式和电池组等效模式。或者说，在充分长的时间间隔内，该测试程序允许测试反复进行，在任何情况下，要按照实际的电池尺寸、化学性质和应用要求配合其制造厂商进行选择。
图2所示的是在ECOS咨询实验室中，目前测试得到的结果，图中示出了两种共用电池充电器系统的充电、维持和无电池模式时的功率消耗，在各自的充电时间内，蜂窝通讯用的锂离子电池充电器实际上比镍金属氢化物(NiMH)电池驱动无线电收音机具有更大的交流功率，而且其实现充电过程更快捷，在充电被完成时，即下降到维持模式的低功率电平，并且，在不提供电池时则消耗的功率更小。它们的电源具有73%的平均效率，比收音机电源的43%效率高得多，满足了其电池充电器电路在超过其总的功率范围时可以更有效的工作。
NiMH电池产品在充电模式和维持模式两种情况下，没有表现出可辨别的差别，仅仅要求电池储存的能量之电流总量保持在充电时的水平，也就是说没有造成泄漏损失。在没有提供电池的情况下，它将下降0.8W。
了解两种充电系统之间效率总的百分比之差是很重要的。无线电收音机充电器及其电池的总系统效率大约为6%，因为在0.2C时，它们被测得的电池容量是3.9WH，而它们在充电和维持能量中所消耗的，则在24小时内达到63WH。
经过对照可见，蜂窝通信机充电器及其电池的总效率大约是45%，因为在0.2C时，它们被测得的电池容量为3.6WH，而它们在24小时内的充电和维持的能量消耗则为8WH。这个对比说明，在电池充电器产品中可以储存能量。强调这种储存能量的能力，在设计高能效产品和标准化测试程序中起着重要作用。
表1概括了根据前面叙述中提出的标准程序，从95台电池充电器测量得到的24小时充电和维持时的效率以及没有电池模式时的功率消耗。
根据这些充电模式测得的各产品的子集，在图中可以看到处理结果。测量效率的范围表现得特别宽阔，从低至2%到高达69%，这正好说明改善电池充电器的效率还有很大的潜力。
4 充电器产品设计
被充电器产品使用的技术方法是如何获得充电模式和维持模式时很高的效率以及很低的待机功率损耗的呢？EPRI研究模拟了基本的能量消耗模型，以更好地理解用于线性电源和电阻性调节单元的用无绳工具充电的两种电池充电器的典型方法。
图4用图解法说明了如上所述的经由测试程序测量的通常工作在大约只有10%效率的那些产品。它说明了其损耗的大部分发生在线性电源本身。
线性充电器的总效率将始终受到作为控制直流(DC)充电电流的实际耗能单元——电阻器或晶体管的限制。用开关模式充电器替代线性充电器将有效地大大改善其效率，因为它们的耗能单元被完全去除了。
开关模式充电器具有两种型式：单片型和多片型。单片型开关模式充电器比多片型开关模式充电器的设计与制造更为困难，因为前者必须设计成简单明了的系统，以满足特殊的电池组件需要。每一种新型的充电器都需要用UL认可的方法和其它工程技术标准进行测试，以免在重新设计的过程中造成时间周期相对紧张或相对地增加了成本。
采用与DC-DC变换器串联的开关电源多片型充电器虽然简单，但是代价较高的设计（见图5所示）。开关电源可以从电源制造厂商那里确认或购买。独立的DC-DC变换器可以用来调节电池充电器的电流。
虽然多片模式充电的方法不像采用单片开关模式变换器那样高效，但它很容易被确定和制造，因为DC-DC变换器和其它控制单元可以与有动力的电池产品或电池本身一起封装。两片型充电器和电池系统总的系统效率近似等于50%，与线性充电器比较，极大地改善了效能，大大超过了线性充电器被估算的10%效率。
用作改善功率变换效率的其它技术有诸如同步整流、谐振切换、增加电池系统电压和延滞充电等（见图6所示）。关于电源效率和电池充电器系统效率的详细叙述和讨论，请见EPRI指导书中位于"www.efficientpower-supply和www.efficientproducts"内的内容。如果仔细地将以上的技术综合用于产品设计，在24小时的充电和维持周期内，其效率增加20~30个百分点是可以做得到的。
在前面的叙述中提到的测试程序是在2003年首次草拟的，而在此后经过了多次补充修订。测试程序的技术细节是在2007年第三季度最后确定的。与测试程序研究相配合的其它评价和阅读材料，制造厂商有机会在www.efficientproducts.org/bchargers查阅。
制造厂商们也希望可以按照新的测试程序测试他们的产品，并以其效率为基准与其相类似型号的产品效率进行对比。

参考文献
[1] Eilperin， Juliet， "Humans Faulted for Global Warming，" www.washingtonpost. com/wp-dyn/content/articl/2007/02/02/AR2007020200192.html.
[2] "Environmentally Friendly Design of Energy-Using Products: Framework Directive for Setting Eco-Design Requirements for Energy-Using Products (EuP)，" http://ec.europa.eu/enterprise/eco_design/index_en.htm.
[3] Herb， Kim， and Calwell， Chris， Battery Charger Market Characterization. Prepared for the CEC by Ecos Consulting， 2006.
[4] Tackling Climate Change in the U.S.: Potential Carbon Emissions Reductions from Renewable Energy and Efficiency by 2030， ASES， January 2007.
[5] Kamath， Haresh， Geist， Tom， Foster Porter， Suzanne， and May-Ostendorp， Peter， "Designing Battery Charger Systems for Improved Efficiency: Atechnical Primer." Prepared for the CEC by EPRI and Ecos Consulting， 2006.

[编译自：www.powerelectronics.com April 2007]