充電電池技術(shù)(共10頁)

1、充電電池技術(shù)(jsh)和電池充電方法作者(zuzh)：Maxim 公司 Gert Helles電池的應(yīng)用(yngyng)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

2、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)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。此主題相關(guān)圖片如下：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)圖片

3、如下：圖2定時器控制的充電(主要用在筆記本電腦、數(shù)據(jù)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)圖片(tpin)如下：圖4-dT/dt終止充電(chng din)(應(yīng)用在電動工具和電氣工具中)電池(dinch)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(xngnng)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)

4、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。沒有一個電池能永久地儲存能量。不可避免(b k b min)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

5、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NiC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

6、效的。-V充電終止檢測應(yīng)該與電池溫度測量相結(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

7、率，而無熱量產(chǎn)生。達到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)束電池充電。鎳氫電池充電(chng din)盡管Ni-MH充電器與NiCd充電器類似，但是，Ni-MH充電器采用dT/dt方法，這是Ni-MH電池充電的最好方法。Ni-MH電池的充電結(jié)束電壓(diny)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(diny)下降。新的Ni-MH電池在充電周期內(nèi)過早地出現(xiàn)不可*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

8、部分放電)下似乎沒有可用的-dV/dt算法能使Ni-MH電池充電更有效。基于此原因，不能用NiCd充電器為Ni-MH電池充電，除非它是用dT/dt方法終止充電。因為Ni-MH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Ni-MH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*定時器來指示何時充電周期應(yīng)該結(jié)束。所以，為了使Ni-MH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

9、實，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。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?，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

10、需較長時間。憑經(jīng)驗，浮充是初始充電時間的兩倍。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

11、電池放電而減少(見圖8)此主題(zht)相關(guān)圖片如下：圖5涓流(jun li)充電(主要用在應(yīng)急燈、導(dǎo)向燈、存儲器、備用設(shè)備中)此主題相關(guān)(xinggun)圖片如下：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

12、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-VPLSVOC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

13、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TOC

14、D，則DS2720關(guān)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(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1030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

15、1C。結(jié)語Ni-MH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Ni-MH電池。快速充電可增強鎳基電池的壽命和性能，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。 此主題相關(guān)圖片(tpin)如下：圖7DS2720鋰電池保護(boh)電路此主題(zht)相關(guān)圖片如下：圖8DS2720(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很多人都有這樣

16、的問題，究竟是快充好還是慢充好。那我們先來看看什么是快充而什么是慢充。以一節(jié)電池的標稱容量為1C，在0.10.2C的充電電流為慢充，0.2C的為快充，0.8C的為超快速充電，0.05C的則是涓流充電。以一節(jié)1300MAH的鎳氫電池為例，充電電流在130MA260MA之間的為慢速充電，而同樣260MA的充電電流，對一節(jié)700MAH的電池則就是快充。由此可見，快充還是慢充是個相對的概念，和電池本身的容量有極大的相關(guān)。 但是究竟是快好還是慢好？其實這也沒有固定的答案。很多人都認為慢好，認為快充會傷害電池?？斐鋾﹄姵孛?？答案是肯定的，但原因并不是很多人所想的“大電流充電傷害電池”。大電流充其量是幫

17、兇，真正的原因是發(fā)熱，由于大電流而引起的發(fā)熱。過高的溫度對電池壽命有很大的影響。所以說大電流并不可怕，頭疼的是怎樣來解決發(fā)熱的問題。說到這里，就要引入恒流充電和脈沖充電的概念。在慢充時，基本上所有的充電器都采用了恒流的充電方法，這樣電路設(shè)計比較簡單，容易實現(xiàn)。而由于充電電流在慢速范圍，并不會引起電池過熱的問題。到了用快速電流充電的問題上，再使用恒流方式，無疑無法避免電池過熱的問題，因此恒流的方法就被摒棄。取而代之的是脈沖方式，從波形上就可以看出，充電電流的輸出不是直線，而是正弦波。波峰時，電流最大，然后馬上進入波谷，幾乎是沒有電流。這樣設(shè)計的目的是為了讓電池有一個恢復(fù)時間，從而減少大電流產(chǎn)生的

18、熱量，使電池發(fā)熱控制在一個可接受的水平。現(xiàn)在市場上看到的百余元左右的快速充電器，基本都采用這個方法。而且這類充電器還采用了電壓斜率(xil)判斷法或delta判斷法來判斷電池是否充滿，一旦充滿就自動轉(zhuǎn)入涓流充電，以免超過時間后大電流對電池造成傷害。采用脈沖方式來制作快速充電器是不錯的解決方法，但對于有些變態(tài)(binti)的要求，比如1小時快速充電器，這時要采用大于1C的超高速充電電流來進行充電，脈沖法就力不從心了?，F(xiàn)在國際上采用的基本都是脈沖法加去極化反應(yīng)結(jié)合的方式。簡單(jindn)的說，就是在脈沖法的基礎(chǔ)上，當一個正弦波的上半部完成后，插入一個短暫負電壓的余弦波，來抵消過大的電流產(chǎn)生巨大熱

19、量(極化反應(yīng))，從而將電池?zé)崃靠刂谱?。這種方法一般只有在比較專業(yè)的充電器，例如航模玩家所用的專業(yè)充電器上使用。這類充電器往往可以做到用2C3C的電流對電池進行充電。說了這些方法，從電池使用壽命角度來看，慢速恒流充電無疑是對保證電池壽命最好的方法。但從時間就是金錢的角度來看，快速充電器節(jié)省下來的時間所帶來的效益，遠比損傷電池壽命10左右的損失大得多。這也是為什么快速充電器十分流行的原因。 記憶效應(yīng)-是針對鎳鎘電池而言的，由于傳統(tǒng)工藝中負極為燒結(jié)式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在它們被完全放電之前就重新充電，鎘晶粒容易聚集成塊而使電池放電時形成次級放電平臺。電池會儲存這一放電平臺并在下次循環(huán)中將其作為

20、放電的終點，盡管電池本身的容量可以使電池放電到更低的平臺上。在以后的放電過程中電池將只記得這一低容量。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應(yīng)，使電池的容量變得更低。 這段有關(guān)記憶效應(yīng)的解釋來自我國著名的電池企業(yè)BYD-比亞迪。比亞迪還提到了消除記憶效應(yīng)的方法，有兩種方法，一是采用小電流深度放電（如用0.1C放至0V）一是采用大電流充放電（如1C）幾次。并且對比亞迪本廠產(chǎn)的BYD鎳鎘電池來說，由于負極的工藝全部為拉漿式，鎘晶粒不會聚集，不存在記憶效應(yīng)的問題。我認為國內(nèi)廠家如果也用了“拉漿式負極工藝”，那么生產(chǎn)出來的鎳鎘電池，基本上也就消除了記憶效應(yīng)。鎳氫電池充電時，正極發(fā)生反應(yīng)

21、如下：Ni(OH)2 e + OH- NiOOH + H2O負極反應(yīng)：MHn + ne M + n/2H2放電時，正極：NiOOH + H2O + e Ni(OH)2 + OH-負極：M + n/2H2 MHn + ne充電電池的充電方式和控制方式1、什么是1C充電電流？例如一節(jié)5號鎳氫電池的電容量為1200mAH，而另一節(jié)則為1600mAH。我們把一節(jié)電池的電容量稱為1C，可見1C只是一個邏輯概念，同樣的1C，并不相等，1C充電電流可以是1200mA，也可以是1600mA。2、什么是快速充電？充電電流大于0.2C，小于0.8C則是快速充電。3、什么是慢速充電？充電電流在0.1C-0.2C之間

22、時，我們稱為慢速充電。4、什么是涓流充電？充電電流小于0.1C時，我們稱為涓流充電。5、什么是超高速充電？充電電流大于0.8C時，我們稱之為超高速充電。6、什么是恒流充電(chng din)方式？恒流充電法是保持充電電流強度(din li qin d)不變的充電方法。恒流充電器通常(tngchng)使用慢速充電電流。對充電時間的計算有個簡單的公式：Hour=1.5C/充電電流。例如：對1200mAH的電池充電，充電器的充電電流為150mA，則時間為1800mAH/150mA等于12小時。當然在很多時候并不能計算出正好的時間，我們可以挑離得最近的半小時以方便記時。例如：充電器的電流為160mA，

23、對1400mAH的電池充電，則時間為2100mAH/160mA約為13小時，而不用計算到分。7、什么是快速自動充電方式？通常所使用的是余弦法充電，也就是說并非用恒定的大電流充電，而是像余弦波那樣電流強度隨之變化，這樣能緩解熱量的積聚，從而將溫度控制在一定范圍內(nèi)。8、什么是脈沖式充電法？脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)。9、大電流充電對電池壽命的影響大不大？大電流充電對電池壽命的影響是很小的，在很多情況下我們都要用到快速充電甚至超高速充電，充電電流有時可以達到2C或更高。大電流并不是電池殺手，真正對電池壽命產(chǎn)生影響的是大電流充電時產(chǎn)生的高熱。10、如何解決

24、大電流充電過程中的發(fā)熱問題（過溫保護）？過高的溫度對充電電池是有害的，在慢速恒流充電器中，由于是慢速充電，產(chǎn)生的熱量在可控制范圍內(nèi)，因此并不需要采取特殊的措施。但在快速自動充電器中，采用快充電流就會產(chǎn)生更高的溫度。因此目前市場上的快速自動充電器都采用了各種方法來降低充電時的溫度，通常所使用的是余弦法。一些充電器甚至加裝散熱風(fēng)扇來解決發(fā)熱問題。11、超高速充電器如何進行過熱(u r)保護？由于(yuy)超高速充電器需要極大的充電電流，有些甚至使用了2C-3C的充電電流，其發(fā)熱問題尤為嚴重，僅僅采用余弦波充電還不夠，因此這類充電器很多都采用在一個余弦波后插入一個很短暫的放電這種方法。這種做法可以緩解由于反電勢消耗(xioho)充電電流所