可充電電池技術(shù)和充電方法

1、電池的應(yīng)用從來(lái)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(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)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

2、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（A h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)終端、無(wú)線設(shè)備和蜂窩電話中）01-2 （h）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

3、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。沒有一個(gè)電池能永久地儲(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

4、 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 為二次電池有下列缺點(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

5、。電池充電經(jīng)常遇到的術(shù)語(yǔ)是：用于 NiCl 和 Ni MH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(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

6、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?？焖俪潆娍筛纳瞥潆娦?。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)?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(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%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0.020.1C涓流結(jié)束電池

7、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 )下似乎沒有可用的 -dV/dt 算法能使 NiMH 電池充電更有效?；诖嗽颍荒苡?Ni Cd充電器為NiMH電池充電，除非它

8、是用dT/dt方法終止充電。因?yàn)?NiMH電 池不能吸收過(guò)充電，所以，涓流充電必須比NiCd?。?.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。

9、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%lch，見圖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。鋰離子電池安全措施因?yàn)檫^(guò)充電 （或過(guò)放電 ）

10、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 DS 2720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 （見圖 8）tVbICtl Vb(Ich(J153

11、0(h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）0 1h 3hPC)圖6恒流，恒壓充電（用于蜂窩電話、無(wú)線設(shè)備和筆記本DS2720可從數(shù)據(jù)接口或?qū)Ｓ幂斎肟刂仆獠?FET，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。E EPROM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沖擊的影

12、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0V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 -VPLSVOC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TUV D,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以上和充電器連

13、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D S2720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。DS 2720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

14、放電TET，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10C 30C之間快速充電。低于5C (41oF)和高于45C (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5C (41oF)，充電率小于

15、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?？焖俪潆娍稍鰪?qiáng)鎳基電池的壽命和性能，這是因?yàn)榭焖俪?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(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。MO-噸廠PACK+ ODATAJPACK-KILL-圖7 DS2720鋰電池保護(hù)電路The D52720 s (總gullied W-FET drive = resufts m luwnr swircli r6$-i5-tarite - even 機(jī) eid V f出旺樸刖嚴(yán)F Thf rfisidt J 怎 longer nuntjm& for your fKwiabie n 出琦古3 taf Myi nDv-C