可充电电池技术和充电方法

可充电电池技术和充电方法

电池的应用从来没有像现在这么广泛。电池正在变得更小、更轻，在单位容积内可容纳更多能量。电池发展的主要驱动力来自便携装置(移动电话，膝上电脑，摄录像机，MP3播放机)的发展。

本文概述充电方法和现代电池技术，以便更好地了解便携装置所用的电池。这包括镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li+)电池化学性质的描述。本文也描述了单节锂离子和锂离子聚合物电池的保护器件。

电池定义

电池称之为能量储存系统，这也包括续流和时钟源。从现代技术的角度看，电池通常是产生电能的自储化学系统的便携装置。

一次性电池(称之为不可充电或初级电池)从恒定变化电池的化学反应产生电能。一次性电池的放电引起电池化学成分的永久性和不可逆变化。反之，可充电电池称之为二次电池，二次电池由充电器充电而在应用中放电。因此，二次电池可以多次产生能量和多次储存能量。

充电或放电电流(安培)通常表示为额定容量的倍数(称之为C率)。例如，额定为1安培一小时(1Ah)的电池，C/10放电电流为1Ah/10=100mA。电池的额定容量(Ah或mAh)是在特定条件下完全充电时所能储存(产生)的电量。因此，电池的总能量是容量乘电压，其量度为瓦特一小时。

图1 半恒流充电(主要用在电动剃刀，数字无绳电话和玩具等应用中)

图2 定时器控制的充电(主要用在笔记本电脑、数据终端、无线设备和蜂窝电话中)

图3 -△V截止电流(用在笔记本电脑、数据终端、摄录像机、无线设备和蜂窝电话中)

图4 -dT/dt终止充电(应用在电动工具和电气工具中)

电池性能测试

电池的化学成分和设计一起限定电池所能提供的电流。若没有限制性能的实际因素，电池可产生无穷大的电流。限制电池性能的主要因素是化学成分的反应率、电池设计和发生反应的区域。某些电池具有产生大电流的能力。例如，镍镉电池所产生的电流大到足以熔化金属和引起火灾。其他电池只能产生弱电流。

电流中所有化学和机械因素的净效应可表示为单一数学因数一等效内阻。降低内阻可得到较大的电流。

没有一个电池能永久地储存能量。不可避免地，电池化学反应能力逐渐下降导致电池储存电荷减少。电池容量和重量(或尺寸)之比称之为电池的存储密度。在给定尺寸和重量的电池中，高存储密度意味着可储存更多能量。

若一次性和二次电池都能达到同一目的，为什么总是不选择二次电池呢？这是因为二次电池有下列缺点：

电池充电

一个新的可充电电池或电池组(一个电池组中有几个电池)不能保证完全充满电。事实上它们很可能几乎被放电。因此，第一件要做的事情是根据制造商提供的化学成分相关指南，对电池/电池组进行充电。

每次充电操作根据电池的化学成分依序加电压和电流。因此，充电器和充电算法满足电池化学成分的不同要求。电池充电经常遇到的术语是：用于NiCl 和NiMH电池的恒流(CC)和用于锂离子和锂聚合物电池的恒流/恒压(CC/CV)(见图1-6)。

镍镉电池充电

加恒流(0.05C-1C)对NiCd电池充电。某些低成本充电器借助绝对温度终止充电。虽然简单、成本较低，但这种充电终止方法是不精确的。较好的方法是用检测电压跌落的方法终止充电。-△V 方法对于充电速率为0.5C或更高速率的NiCd电池是最有效的。-△V充电终止检测应该与电池温度测量相结合，因为变质电池和失配电池可降低△V。

可以用检测温度增加速率(dT/dt)实现更精确的满充检测，这种充电检测方法比固定温度终止方法更好。基于dT/dt和-△V终止组合方法的充电终止方法具有较长的寿命周期，可避免过充电。

快速充电可改善充电效率。在1C效率接近1.1(91%)，而空载电池的充电时间，1小时多一点，当以0.1C充电时，效率降到1.4(71%)，充电时间为14小时左右。

因为NiCd电池的电荷接收度接近100%，所以在开始70%充电期间吸收几乎所有的能量，而电池保持微冷。超快速充电器利用该特点，在几分钟内把电池充电到70%电平，所加电流等于几倍的C率，而无热量产生。达到70%电平之后，电池以较低速率继续充电，直到电池充满电为止。最后，加0.02~0.1C涓流结束电池充电。

镍氢电池充电

尽管NiMH充电器与NiCd充电器类似，但是，NiMH充电器采用dT/dt方法，这是NiMH电池充电的最好方法。NiMH电池的充电结束电压下降比较小，而对小充电率(低于0.5C，这取决于温度)可以完全无电压下降。

新的NiMH电池在充电周期内过早地出现不可靠的峰值，这会导致充电器过早结束充电。此外，用-△V检测充电结束能保护过充电，过充电本身又在电池失效前限制充电/放电的次数，在所有条件(新或旧，热或冷，全部或部分放电)下似乎没有可用的-dV/dt算法能使NiMH电池充电更有效。基于此原因，不能用NiCd充电器为NiMH电池充电，除非它是用dT/dt方法终止充电。因为NiMH电池不能吸收过充电，所以，涓流充电必须比NiCd小(0.05C左右)。

慢充电NiMH电池比较困难，这是与0.1C-0.3C范围C率有关的电压和温度分布不能提供足够精确充满电状态的指示。因此，慢充电器必须依靠定时器来指示何时充电周期应该结束。所以，为了使NiMH电池充满电，应该施加接近1C(或根据电池制造商标定的C率)的快速充电，同时监控电压(△V=0)和温度(dT/dt)来确定何时充电应该结束。

锂离子和锂聚合物电池充电

其实，镍基电池的充电器是限流型的，而锂离子电池充电器是限制电压和电流。第1代锂离子电池充电电压限制在4.10V/电池。较高的电压意味着较大的容量，通过增加化学添加剂实现了4.20V电池电压。现代锂离子电池一般充电到4.20V(容差±0.05V/电池)。

在充电端电压达到电压阀值和充电电流降到0.03C(接近于3%Ich，见图6)之后达到满充电。大多数充电器达到满充电的时间大约为3小时，而一些线性充电器声称大约一小时充电Li+电池。这种充电器通常在电池端电压达到4.2V时终止充电。然而，这种规定只充电电池到其容量的70%。

较大的充电电流不能使充电时间缩短太多。较大的充电电流能较快地达到电压峰值，但浮充需较长时间。凭经验，浮充是初始充电时间的两倍。

锂离子电池安全措施

因为过充电(或过放电)锂离子电池可能会导致电池爆炸和人员伤害，所以，在使用这类电池时，安全是主要关心的问题。因此，商用锂离子电池组，包含象DS2720这样的保护电路(图7)，DS2720提供可充电Li+电池应用所需的所有电池保护功能：充电期间保护电池，防止超量电流流过的保护电路和限制电池耗尽，电平使电池寿命最长。

DS2720IC用外部开关器件(如低成本N沟道功率MOSFET)控制充电和放电电流的路径。IC内部9V电荷泵为外部n沟道MOSFET提供高端驱动，这比通用的低端保护电路中相同功能的FET提供更低的导通电阻。FET导通电阻随电池放电而减少(见图8)

图5 涓流充电(主要用在应急灯、导向灯、存储器、备用设备中)

图6 恒流，恒压充电(用于蜂窝电话、无线设备和笔记本PC)

DS2720可从数据接口或专用输入控制外部FET，因此，消除了可充电Li+电池系统中额外的功率开关控制。通过其1-Wire接口，DS2720提供主系统对状态和控制寄存器、仪表寄存器通用数据存储的读/写存取。工厂编程的64位唯一地址允许主系统单独寻址每个器件。

DS2720为电池信息存储，EEPROM和锁定表EEPROM提供两种用户存储器。EEPROM是真正的非易失性(NV)存储器，其内容(重要的电池数据)保持不受严重的电池消耗，突然短路或ESD冲击的影响。当锁定时，锁定表EEPROM变成只读存储器(ROM)，它们为保持电池数据提供额的安全措施。

保护模式

过压：若在VDD检测的电池电压超过过压阀值Vov的时间大于过压延迟TOVD，则DS2720关闭外部充电FET，并在保护寄存器中置OV标志。在过压期间，放电通路保持开路，当电池电压降到充电使能阀值电压VCE以下或放电导致VDD-VPLS>VOC时，充电FET被重新使能(除非被另外保护条件闭锁)。

欠压：若在VDD检测的电池电压低于欠压阀值VUV的时间大于欠压延迟TUVD，则DS2720关闭充电和放电FET，并置保护寄存器UV标志，使其进入休眠模式。在电池电压升到VUV以上和充电器连接之后，IC接通充电和放电FET。

短路：在TSCD周期，若在VDD检测的电池电压低于消耗阀值电压VSC，则DS2720关闭充电和放电FET，并置保护寄存器的的DOC标志。经过充电和放电FET的电流通路不会重新建立直到PLS上的电压升到大于VDD-VOC为止。DS2720提供流经内部电阻RTST(从VDD到PLS，当VDD升到大于VSC时，上拉PLS)的测试电流。此测试电流可使DS2720能检测低阻抗负载的偏移。另外，通过从PLS到VDD的RTST可恢复充电通路。

过流：若加在保护FET的电压(VDD-VPLS)大于VOC的时间超过了TOCD，则DS2720关断外部充电和放电TET，并置位保护寄存器DOC标志。电流通路不会重新建立直到PLS上的电压升到大于VDD-VOC为止。DS2720通过内部电阻TRST(从VDD到PLS)提供测试电流来检测不合格的低阻抗负载的偏移。

过温：若DS2720温度超过TMAX，则立即关断外部充电和放电FET。FET不会导通直到如下两个条件满足为止：电池温度降到低于TMAX，主机复位OT位。

充电温度

应尽量在室温下充电。镍基电池应在10℃~30℃之间快速充电。低于5℃(41oF)和高于45℃(113oF)，镍基电池的充电接收度急剧降低。锂离子电池在整个温度范围内呈现良好的充电性能，但低于5℃(41oF)，充电率小于1C。

结语

NiMH充电器可适应NiCd电池，但反之不行。专用于NiCd电池的充电器将会过充电NiMH电池。快速充电可增强镍基电池的寿命和性能，这是因为快速充电降低了内部结晶所引起的记忆效应。镍和锂基电池要求不同的充电算法。Li+电池需要保护电路来监控和保护过流，短路，过压和欠压以及过温。

注意：在电池不经常用是时，从充电器取下电池，在使用前对电池充满电。 

图7 DS2720锂电池保护电路

图8 DS2720(高端)模式控制的保护FET电阻小于传统低端模式的FET工作值。DS2720控制的FET电阻随电池电压下降。