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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(lái)沒(méi)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(dòng)力來(lái)自便攜裝置(移動(dòng)電話，膝上電腦，攝錄像機(jī)，MP3播放機(jī))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(hù)器件。 電池定義 電池稱之為能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，這也包括續(xù)流和時(shí)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(chǔ)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(jí)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(chǔ)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(shí)(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(shí)所能儲(chǔ)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(shí)。 圖1 半恒流充電(主要用在電動(dòng)剃刀，數(shù)字無(wú)繩電話和玩具等應(yīng)用中) 圖2 定時(shí)器控制的充電(主要用在筆記本電腦、數(shù)據(jù)

3、終端、無(wú)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(jī)、無(wú)線設(shè)備和蜂窩電話中) 圖4 -dT/dt終止充電(應(yīng)用在電動(dòng)工具和電氣工具中) 電池性能測(cè)試 電池的化學(xué)成分和設(shè)計(jì)一起限定電池所能提供的電流。若沒(méi)有限制性能的實(shí)際因素，電池可產(chǎn)生無(wú)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(jì)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(jī)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(méi)有一個(gè)電池

4、能永久地儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)密度。在給定尺寸和重量的電池中，高存儲(chǔ)密度意味著可儲(chǔ)存更多能量。 表1給出個(gè)人計(jì)算機(jī)和蜂窩電話所用主要化學(xué)電池的額定電壓和存儲(chǔ)密度(用每千克重量的瓦特一小時(shí)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(dá)到同一目的，為什么總是不選擇二次電池呢？這是因?yàn)槎坞姵赜邢铝腥秉c(diǎn)： 電池充電 一個(gè)新的可充電電池或電池組(一個(gè)電池組中有幾個(gè)電池)不能保證完全充滿電。事實(shí)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(duì)電池/電池組進(jìn)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(yǔ)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(jiàn)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(duì)NiCd電池充電。某些低成本充電器借助絕對(duì)溫度終止充電。雖然簡(jiǎn)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(cè)電壓跌落的方法終止充電。-△V 方法對(duì)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(cè)應(yīng)該與電池溫度測(cè)量相

6、結(jié)合，因?yàn)樽冑|(zhì)電池和失配電池可降低△V。 可以用檢測(cè)溫度增加速率(dT/dt)實(shí)現(xiàn)更精確的滿充檢測(cè)，這種充電檢測(cè)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(zhǎng)的壽命周期，可避免過(guò)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(shí)間，1小時(shí)多一點(diǎn)，當(dāng)以0.1C充電時(shí)，效率降到1.4(71%)，充電時(shí)間為14小時(shí)左右。 因?yàn)镹iCd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(diǎn)，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(wú)熱量產(chǎn)生。達(dá)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(duì)小充電率(低于0.5C，這取決于溫度)可以完全無(wú)電壓下降。 新的NiMH電池在充電周期內(nèi)過(guò)早地出現(xiàn)不可靠的峰值，這會(huì)導(dǎo)致充電器過(guò)早結(jié)束充電。此外，用-△V檢測(cè)充電結(jié)束能保護(hù)過(guò)充電，過(guò)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(méi)有可用的-dV/dt算法能使NiMH電池充

8、電更有效?；诖嗽颍荒苡肗iCd充電器為NiMH電池充電，除非它是用dT/dt方法終止充電。因?yàn)镹iMH電池不能吸收過(guò)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(shí)器來(lái)指示何時(shí)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(biāo)定的C率)的快速充電，同時(shí)監(jiān)控電壓(△V=0)和溫度(dT/dt)來(lái)確定何時(shí)充電應(yīng)該結(jié)束。 鋰離子和鋰聚合物電池充電 其實(shí)，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(guò)增加化學(xué)添加劑實(shí)現(xiàn)了4.20V電池電壓?，F(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(dá)到電壓閥值和充電電流降到0.03C(接近于3%Ich，見(jiàn)圖6)之后達(dá)到滿充電。大多數(shù)充電器達(dá)到滿充電的時(shí)間大約為3小時(shí)，而一些線性充電器聲稱大約一小時(shí)充電Li+電池。這種充電器通常在電池端電壓達(dá)到4.2V時(shí)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(shí)間縮短太多。較大的充電電流能較快地達(dá)到電壓峰值，但浮充需較長(zhǎng)時(shí)間。憑經(jīng)驗(yàn)，浮充是初始充電時(shí)間的兩倍

10、。 鋰離子電池安全措施 因?yàn)檫^(guò)充電(或過(guò)放電)鋰離子電池可能會(huì)導(dǎo)致電池爆炸和人員傷害，所以，在使用這類電池時(shí)，安全是主要關(guān)心的問(wèn)題。因此，商用鋰離子電池組，包含象DS2720這樣的保護(hù)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(hù)功能：充電期間保護(hù)電池，防止超量電流流過(guò)的保護(hù)電路和限制電池耗盡，電平使電池壽命最長(zhǎng)。 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(dòng)，這比通用的低端保護(hù)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(jiàn)圖8)

11、 圖5 涓流充電(主要用在應(yīng)急燈、導(dǎo)向燈、存儲(chǔ)器、備用設(shè)備中) 圖6 恒流，恒壓充電(用于蜂窩電話、無(wú)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(guò)其1-Wire接口，DS2720提供主系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)和控制寄存器、儀表寄存器\通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的讀/寫存取。工廠編程的64位唯一地址允許主系統(tǒng)單獨(dú)尋址每個(gè)器件。 DS2720為電池信息存儲(chǔ)，EEPROM和鎖定表EEPROM提供兩種用戶存儲(chǔ)器。EEPROM是真正的非易失性(NV)存儲(chǔ)器，其內(nèi)容(重要的電池?cái)?shù)據(jù))保持不受嚴(yán)重的電池消耗，突然短路或ESD沖

12、擊的影響。當(dāng)鎖定時(shí)，鎖定表EEPROM變成只讀存儲(chǔ)器(ROM)，它們?yōu)楸３蛛姵財(cái)?shù)據(jù)提供額的安全措施。 保護(hù)模式 過(guò)壓：若在VDD檢測(cè)的電池電壓超過(guò)過(guò)壓閥值Vov的時(shí)間大于過(guò)壓延遲TOVD，則DS2720關(guān)閉外部充電FET，并在保護(hù)寄存器中置OV標(biāo)志。在過(guò)壓期間，放電通路保持開路，當(dāng)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(shí)，充電FET被重新使能(除非被另外保護(hù)條件閉鎖)。 欠壓：若在VDD檢測(cè)的電池電壓低于欠壓閥值VUV的時(shí)間大于欠壓延遲TUVD，則DS2720關(guān)閉充電和放電FET，并置保護(hù)寄存器UV標(biāo)志，使其進(jìn)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(cè)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(hù)寄存器的的DOC標(biāo)志。經(jīng)過(guò)充電和放電FET的電流通路不會(huì)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(dāng)VDD升到大于VSC時(shí)，上拉PLS)的測(cè)試電流。此測(cè)試電流可使DS2720能檢測(cè)低阻抗負(fù)載的偏移。另外，通過(guò)從PLS到VDD的RTST可恢復(fù)充電通路。 過(guò)流：若加在保護(hù)FET的電壓(VDD-VPLS)大于VOC的時(shí)間超過(guò)了TOCD，則DS2720關(guān)斷外部充電和放電TET，

14、并置位保護(hù)寄存器DOC標(biāo)志。電流通路不會(huì)重新建立直到PLS上的電壓升到大于VDD-VOC為止。DS2720通過(guò)內(nèi)部電阻TRST(從VDD到PLS)提供測(cè)試電流來(lái)檢測(cè)不合格的低阻抗負(fù)載的偏移。 過(guò)溫：若DS2720溫度超過(guò)TMAX，則立即關(guān)斷外部充電和放電FET。FET不會(huì)導(dǎo)通直到如下兩個(gè)條件滿足為止：電池溫度降到低于TMAX，主機(jī)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(gè)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(yǔ) 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(huì)過(guò)充電NiMH電池。快速充電可增強(qiáng)鎳基電池的壽命和性能，這是因?yàn)榭焖俪潆娊档土藘?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(hù)電路來(lái)監(jiān)控和保護(hù)過(guò)流，短路，過(guò)壓和欠壓以及過(guò)溫。 注意：在電池不經(jīng)常用是時(shí)，從充電器取下電池，在使用前對(duì)電池充滿電。 圖7 DS2720鋰電池保護(hù)電路 圖8 DS2720(高端)模式控制的保護(hù)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