可充電電池技術(shù)和充電方法

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1、可充電電池技術(shù)和充電方法 電池的應(yīng)用從來沒有像現(xiàn)在這么廣泛。電池正在變得更小、更輕，在單位容積內(nèi)可容納更多能量。電池發(fā)展的主要驅(qū)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(fā)展。 本文概述充電方法和現(xiàn)代電池技術(shù)，以便更好地了解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(xué)性質(zhì)的描述。本文也描述了單節(jié)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(tǒng)，這也包括續(xù)流和時鐘源。從現(xiàn)代技術(shù)的角度看，電池通常是產(chǎn)生電能的自儲化學(xué)系統(tǒng)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(xué)

2、反應(yīng)產(chǎn)生電能。一次性電池的放電引起電池化學(xué)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應(yīng)用中放電。因此，二次電池可以多次產(chǎn)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(shù)(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(產(chǎn)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(shù)字無繩電話和玩具等應(yīng)用中) 圖2 定時器控制的充電(主要用在筆記本電腦、數(shù)據(jù)

3、終端、無線設(shè)備和蜂窩電話中) 圖3 -△V截止電流(用在筆記本電腦、數(shù)據(jù)終端、攝錄像機、無線設(shè)備和蜂窩電話中) 圖4 -dT/dt終止充電(應(yīng)用在電動工具和電氣工具中) 電池性能測試 電池的化學(xué)成分和設(shè)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，電池可產(chǎn)生無窮大的電流。限制電池性能的主要因素是化學(xué)成分的反應(yīng)率、電池設(shè)計和發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域。某些電池具有產(chǎn)生大電流的能力。例如，鎳鎘電池所產(chǎn)生的電流大到足以熔化金屬和引起火災(zāi)。其他電池只能產(chǎn)生弱電流。 電流中所有化學(xué)和機械因素的凈效應(yīng)可表示為單一數(shù)學(xué)因數(shù)一等效內(nèi)阻。降低內(nèi)阻可得到較大的電流。 沒有一個電池

4、能永久地儲存能量。不可避免地，電池化學(xué)反應(yīng)能力逐漸下降導(dǎo)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。 表1給出個人計算機和蜂窩電話所用主要化學(xué)電池的額定電壓和存儲密度(用每千克重量的瓦特一小時或Wh/Kg)表示。 表2列出幾種電池的主要特性。 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組(一個電池組中有幾個電池)不能保證完全充滿電。事實上它們很可能幾乎被放電。因此，第一件要做的事情是根據(jù)制造商提供的化學(xué)成分相關(guān)指

5、南，對電池/電池組進行充電。 每次充電操作根據(jù)電池的化學(xué)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(xué)成分的不同要求。電池充電經(jīng)常遇到的術(shù)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)。 表3列出各種充電方法。 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，但這種充電終止方法是不精確的。較好的方法是用檢測電壓跌落的方法終止充電。-△V 方法對于充電速率為0.5C或更高速率的NiCd電池是最有效的。-△V充電終止檢測應(yīng)該與電池溫度測量相

6、結(jié)合，因為變質(zhì)電池和失配電池可降低△V。 可以用檢測溫度增加速率(dT/dt)實現(xiàn)更精確的滿充檢測，這種充電檢測方法比固定溫度終止方法更好?；赿T/dt和-△V終止組合方法的充電終止方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(nèi)把電池充電到70%電平，所加電流等于幾倍的C率，而無熱量產(chǎn)生。達到70

7、%電平之后，電池以較低速率繼續(xù)充電，直到電池充滿電為止。最后，加0.02~0.1C涓流結(jié)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方法，這是NiMH電池充電的最好方法。NiMH電池的充電結(jié)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(nèi)過早地出現(xiàn)不可靠的峰值，這會導(dǎo)致充電器過早結(jié)束充電。此外，用-△V檢測充電結(jié)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(shù)，在所有條件(新或舊，熱或冷，全部或部分放電)下似乎沒有可用的-dV/dt算法能使NiMH電池充

8、電更有效。基于此原因，不能用NiCd充電器為NiMH電池充電，除非它是用dT/dt方法終止充電。因為NiMH電池不能吸收過充電，所以，涓流充電必須比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(guān)的電壓和溫度分布不能提供足夠精確充滿電狀態(tài)的指示。因此，慢充電器必須依靠定時器來指示何時充電周期應(yīng)該結(jié)束。所以，為了使NiMH電池充滿電，應(yīng)該施加接近1C(或根據(jù)電池制造商標定的C率)的快速充電，同時監(jiān)控電壓(△V=0)和溫度(dT/dt)來確定何時充電應(yīng)該結(jié)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，而鋰離子電池充電器是

9、限制電壓和電流。第1代鋰離子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(xué)添加劑實現(xiàn)了4.20V電池電壓。現(xiàn)代鋰離子電池一般充電到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(shù)充電器達到滿充電的時間大約為3小時，而一些線性充電器聲稱大約一小時充電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(guī)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(jīng)驗，浮充是初始充電時間的兩倍

10、。 鋰離子電池安全措施 因為過充電(或過放電)鋰離子電池可能會導(dǎo)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(guān)心的問題。因此，商用鋰離子電池組，包含象DS2720這樣的保護電路(圖7)，DS2720提供可充電Li+電池應(yīng)用所需的所有電池保護功能：充電期間保護電池，防止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(guān)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(nèi)部9V電荷泵為外部n溝道MOSFET提供高端驅(qū)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(dǎo)通電阻。FET導(dǎo)通電阻隨電池放電而減少(見圖8)

11、 圖5 涓流充電(主要用在應(yīng)急燈、導(dǎo)向燈、存儲器、備用設(shè)備中) 圖6 恒流，恒壓充電(用于蜂窩電話、無線設(shè)備和筆記本PC) DS2720可從數(shù)據(jù)接口或?qū)Ｓ幂斎肟刂仆獠縁ET，因此，消除了可充電Li+電池系統(tǒng)中額外的功率開關(guān)控制。通過其1-Wire接口，DS2720提供主系統(tǒng)對狀態(tài)和控制寄存器、儀表寄存器\通用數(shù)據(jù)存儲的讀/寫存取。工廠編程的64位唯一地址允許主系統(tǒng)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(nèi)容(重要的電池數(shù)據(jù))保持不受嚴重的電池消耗，突然短路或ESD沖

12、擊的影響。當鎖定時，鎖定表EEPROM變成只讀存儲器(ROM)，它們?yōu)楸３蛛姵財?shù)據(jù)提供額的安全措施。 保護模式 過壓：若在VDD檢測的電池電壓超過過壓閥值Vov的時間大于過壓延遲TOVD，則DS2720關(guān)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(dǎo)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檢測的電池電壓低于欠壓閥值VUV的時間大于欠壓延遲TUVD，則DS2720關(guān)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

13、電器連接之后，IC接通充電和放電FET。 短路：在TSCD周期，若在VDD檢測的電池電壓低于消耗閥值電壓VSC，則DS2720關(guān)閉充電和放電FET，并置保護寄存器的的DOC標志。經(jīng)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(jīng)內(nèi)部電阻RTST(從VDD到PLS，當VDD升到大于VSC時，上拉PLS)的測試電流。此測試電流可使DS2720能檢測低阻抗負載的偏移。另外，通過從PLS到VDD的RTST可恢復(fù)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(guān)斷外部充電和放電TET，

14、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(nèi)部電阻TRST(從VDD到PLS)提供測試電流來檢測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(guān)斷外部充電和放電FET。FET不會導(dǎo)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(fù)位OT位。 充電溫度 應(yīng)盡量在室溫下充電。鎳基電池應(yīng)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。鋰離子電池在整個溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的充電性能，但低于5℃(41oF)，充電率小于1C。 結(jié)語 NiMH充電器可適應(yīng)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?？焖俪潆娍稍鰪婃嚮姵氐膲勖托阅?，這是因為快速充電降低了內(nèi)部結(jié)晶所引起的記憶效應(yīng)。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(jiān)控和保護過流，短路，過壓和欠壓以及過溫。 注意：在電池不經(jīng)常用是時，從充電器取下電池，在使用前對電池充滿電。 圖7 DS2720鋰電池保護電路 圖8 DS2720(高端)模式控制的保護FET電阻小于傳統(tǒng)低端模式的FET工作值。DS2720控制的FET電阻隨電池電壓下降 5 / 5文檔可自由編輯打印