可充電電池技術和充電辦法

可充電電池技術和充電辦法

電池的使用從來沒有像今朝這么廣泛。電池正在變得更小、更輕，在單位容積內可容納更多能量。電池發展的主要驅動力來自便攜裝置(移動電話，膝上電腦，攝錄像機，Mp3播放機)的發展。

本文概述充電辦法和現代電池技術，以便更好地知道便攜裝置所用的電池。這包括鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li+)電池化學性質的描述。本文也描述了單節鋰離子和鋰離子聚合物電池的保護器件。

電池定義

電池稱之為能量儲存系統，這也包括續流和時鐘源。從現代技術的角度看，電池通常是萌生電能的自儲化學系統的便攜裝置。

一次性電池(稱之為不可充電或初級電池)從恒定變化電池的化學反應萌生電能。一次性電池的放電引起電池化學成分的永久性和不可逆變化。反之，可充電電池稱之為二次電池，二次電池由充電器充電而在使用中放電。因此，二次電池可以多次萌生能量和多次儲存能量。

充電或放電電流(安培)通常表示為額定容量的倍數(稱之為C率)。例如，額定為1安培一小時(1Ah)的電池，C/10放電電流為1Ah/10=100mA。電池的額定容量(Ah或mAh)是在特定條件下完全充電時所能儲存(萌生)的電量。因此，電池的總能量是容量乘電壓，其量度為瓦特一小時。

圖1半恒流充電(主要用在電動剃刀，數字無繩電話和玩具等使用中)

圖2定時器控制的充電(主要用在筆記本電腦、數據終端、無線設備和蜂窩電話中)

圖3-△V截止電流(用在筆記本電腦、數據終端、攝錄像機、無線設備和蜂窩電話中)

圖4-dT/dt終止充電(使用在電動工具和電氣工具中)

電池性能探測

電池的化學成分和設計一起限定電池所能提供的電流。若沒有限制性能的實際因素，電池可萌生無窮大的電流。限制電池性能的主要因素是化學成分的反應率、電池設計和發生反應的區域。某些電池具有萌生大電流的能力。例如，鎳鎘電池所萌生的電流大到足以熔化金屬和引起火災。其他電池只能萌生弱電流。

電流中所有化學和機械因素的凈效應可表示為單一數學因數一等效內阻。降低內阻可得到較大的電流。

沒有一個電池能永久地儲存能量。不可避免地，電池化學反應能力逐漸下降導致電池儲存電荷減少。電池容量和重量(或尺寸)之比稱之為電池的存儲密度。在給定尺寸和重量的電池中，高存儲密度意味著可儲存更多能量。

若一次性和二次電池都能達到同一目的，為什么總是不選擇二次電池呢？這是因為二次電池有下列缺點：

電池充電

一個新的可充電電池或電池包(一個電池包中有幾個電池)不能保證完全洋溢電。事實上它們很可能幾乎被放電。因此，第一件要做的事情是依據制造商提供的化學成分相關指南，對電池/電池包進行充電。

每次充電操作依據電池的化學成分依序加電壓和電流。因此，充電器和充電算法滿足電池化學成分的不同要求。電池充電常常遇到的術語是：用于NiCl和NiMH電池的恒流(CC)和用于鋰離子和鋰聚合物電池的恒流/恒壓(CC/CV)(見圖1-6)。

鎳鎘電池充電

加恒流(0.05C-1C)對NiCd電池充電。某些低成本充電器借助絕對溫度終止充電。雖然簡單、成本較低，但這種充電終止辦法是不精確的。較好的辦法是用測試電壓跌落的辦法終止充電。-△V辦法對于充電速率為0.5C或更高速率的NiCd電池是最有效的。-△V充電終止測試應當與電池溫度測量相結合，因為變質電池和失配電池可降低△V。

可以用測試溫度增加速率(dT/dt)實現更精確的滿充測試，這種充電測試辦法比固定溫度終止辦法更好。基于dT/dt和-△V終止組合辦法的充電終止辦法具有較長的壽命周期，可避免過充電。

快速充電可改善充電效率。在1C效率接近1.1(91%)，而空載電池的充電時間，1小時多一點，當以0.1C充電時，效率降到1.4(71%)，充電時間為14小時左右。

因為NiCd電池的電荷接收度接近100%，所以在開始70%充電期間吸收幾乎所有的能量，而電池保持微冷。超快速充電器利用該特點，在幾分鐘內把電池充電到70%電平，所加電流等于幾倍的C率，而無熱量萌生。達到70%電平之后，電池以較低速率持續充電，直到電池洋溢電為止。最后，加0.02~0.1C涓流結束電池充電。

鎳氫電池充電

盡管NiMH充電器與NiCd充電器類似，但是，NiMH充電器采用dT/dt辦法，這是NiMH電池充電的最好辦法。NiMH電池的充電結束電壓下降比較小，而對小充電率(低于0.5C，這取決于溫度)可以完全無電壓下降。

新的NiMH電池在充電周期內過早地出現不可靠的峰值，這會導致充電器過早結束充電。此外，用-△V測試充電結束能保護過充電，過充電本身又在電池失效前限制充電/放電的次數，在所有條件(新或舊，熱或冷，全部或部分放電)下仿佛沒有可用的-dV/dt算法能使NiMH電池充電更有效。基于此原由，不能用NiCd充電器為NiMH電池充電，除非它是用dT/dt辦法終止充電。因為NiMH電池不能吸收過充電，所以，涓流充電非得比NiCd小(0.05C左右)。

慢充電NiMH電池比較困難，這是與0.1C-0.3C范圍C率有關的電壓和溫度分布不能提供足夠精確洋溢電狀態的指示。因此，慢充電器非得依賴定時器來指示何時充電周期應當結束。所以，為了使NiMH電池洋溢電，應當施加接近1C(或依據電池制造商標定的C率)的快速充電，同時監控電壓(△V=0)和溫度(dT/dt)來確定何時充電應當結束。

鋰離子和鋰聚合物電池充電

其實，鎳基電池的充電器是限流型的，而鋰電池充電器是限制電壓和電流。第1代鋰電池充電電壓限制在4.10V/電池。較高的電壓意味著較大的容量，通過增加化學添加劑實現了4.20V電池電壓。現代鋰電池一般充電到4.20V(容差±0.05V/電池)。

在充電端電壓達到電壓閥值和充電電流降到0.03C(接近于3%Ich，見圖6)之后達到滿充電。大多數充電器達到滿充電的時間約莫為3小時，而一些線性充電器聲稱約莫一小時充電Li+電池。這種充電器通常在電池端電壓達到4.2V時終止充電。然而，這種規定只充電電池到其容量的70%。

較大的充電電流不能使充電時間縮短太多。較大的充電電流能較快地達到電壓峰值，但浮充需較長時間。憑經驗，浮充是初始充電時間的兩倍。

鋰電池安全措施

因為過充電(或過放電)鋰電池可能會導致電池爆炸和人員傷害，所以，在使用這類電池時，安全是主要關心的問題。因此，商用鋰電池包，蘊含象DS2720這樣的保護電路(圖7)，DS2720提供可充電Li+電池使用所需的所有電池保護功能：充電期間保護電池，戒備超量電流流過的保護電路和限制電池耗盡，電平使電池壽命最長。

DS2720IC用外部開關器件(如低成本N溝道功率MOSFET)控制充電和放電電流的路徑。IC內部9V電荷泵為外部n溝道MOSFET提供高端驅動，這比通用的低端保護電路中相同功能的FET提供更低的導通電阻。FET導通電阻隨電池放電而減少(見圖8)

圖5涓流充電(主要用在應急燈、導向燈、存儲器、備用設備中)

圖6恒流，恒壓充電(用于蜂窩電話、無線設備和筆記本pC)

DS2720可從數據接口或專用輸入控制外部FET，因此，消除了可充電Li+電池系統中額外的功率開關控制。通過其1-Wire接口，DS2720提供主系統對狀態和控制寄存器、儀表寄存器通用數據存儲的讀/寫存取。工廠編程的64位唯一地址準許主系統單獨尋址每個器件。

DS2720為電池信息存儲，EEpROM和鎖定表EEpROM提供兩種用戶存儲器。EEpROM是真正的非易失性(NV)存儲器，其內容(緊要的電池數據)保持不受嚴重的電池消耗，猛然短路或ESD沖擊的影響。當鎖定時，鎖定表EEpROM變成只讀存儲器(ROM)，它們為保持電池數據提供額的安全措施。

保護模式

過壓：若在VDD測試的電池電壓超過過壓閥值Vov的時間大于過壓延遲TOVD，則DS2720封閉外部充電FET，并在保護寄存器中置OV標志。在過壓期間，放電通路保持開路，當電池電壓降到充電使能閥值電壓VCE以下或放電導致VDD-VpLS>VOC時，充電FET被重新使能(除非被另外保護條件閉鎖)。

欠壓：若在VDD測試的電池電壓低于欠壓閥值VUV的時間大于欠壓延遲TUVD，則DS2720封閉充電和放電FET，并置保護寄存器UV標志，使其進入休眠模式。在電池電壓升到VUV以上和充電器連接之后，IC接通充電和放電FET。

短路：在TSCD周期，若在VDD測試的電池電壓低于消耗閥值電壓VSC，則DS2720封閉充電和放電FET，并置保護寄存器的的DOC標志。經過充電和放電FET的電流通路不會重新建立直到pLS上的電壓升到大于VDD-VOC為止。DS2720提供流經內部電阻RTST(從VDD到pLS，當VDD升到大于VSC時，上拉pLS)的探測電流。此探測電流可使DS2720能測試低阻抗負載的偏移。另外，通過從pLS到VDD的RTST可恢復充電通路。

過流：若加在保護FET的電壓(VDD-VpLS)大于VOC的時間超過了TOCD，則DS2720關斷外部充電和放電TET，并置位保護寄存器DOC標志。電流通路不會重新建立直到pLS上的電壓升到大于VDD-VOC為止。DS2720通過內部電阻TRST(從VDD到pLS)提供探測電流來測試不合格的低阻抗負載的偏移。

過溫：若DS2720溫度超過TMAX，則立即關斷外部充電和放電FET。FET不會導通直到如下兩個條件滿足為止：電池溫度降到低于TMAX，主機復位OT位。

充電溫度

應盡量在室溫下充電。鎳基電池應在10℃~30℃之間快速充電。低于5℃(41oF)和高于45℃(113oF)，鎳基電池的充電接收度急劇降低。鋰電池在整個溫度范圍內呈現良好的充電性能，但低于5℃(41oF)，充電率小于1C。

結語

NiMH充電器可適應NiCd電池，但反之不行。專用于NiCd電池的充電器將會過充電NiMH電池。快速充電可加強鎳基電池的壽命和性能，這是因為快速充電降低了內部結晶所引起的記憶效應。鎳和鋰基電池要求不同的充電算法。Li+電池需要保護電路來監控和保護過流，短路，過壓和欠壓以及過溫。

留意：在電池不常常用是時，從充電器取下電池，在使用前對電池洋溢電。

圖7DS2720鋰離子電池保護電路

圖8DS2720(高端)模式控制的保護FET電阻小于傳統低端模式的FET工作值。DS2720控制的FET電阻隨電池電壓下降。

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