概述
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，在單位體積內(nèi)容納更多能量。電池發(fā)展的主要?jiǎng)恿碜员銛y設(shè)備(例如移動(dòng)電話，膝上電腦，攝錄像機(jī)和MP3播放器)的快速發(fā)展。這篇關(guān)于充電方式和現(xiàn)代電池技術(shù)的應(yīng)用筆記將幫助您更好了解這些便攜設(shè)備中使用的電池。
電池的定義
如果電池僅定義為能量儲(chǔ)存系統(tǒng)，則其有可能包括飛輪和時(shí)鐘發(fā)條等元件。在現(xiàn)代技術(shù)中電池的更精確定義為：能夠產(chǎn)生電能的便攜、獨(dú)立化學(xué)系統(tǒng)。
一次電池，又叫不可充電電池或原電池，從電池單向化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生電能。原電池放電導(dǎo)致電池化學(xué)成分永久和不可逆的改變。但可充電電池，又叫二次電池，可在應(yīng)用中放電，也可由充電器充電。所以，二次電池儲(chǔ)存能量，而不是產(chǎn)生能量。
充電和放電電流(安培)通常用電池額定容量的倍數(shù)表示，叫做充電速率(C-rate)。例如，對(duì)于額定為1安時(shí)(Ah)的電池，C/10的放電電流等于1Ah/10 = 100mA。電池的額定容量(Ah或mAh)是電池在特定的條件下完全放電所能儲(chǔ)存(產(chǎn)生)的電能。因此，電池的總能量等于容量乘以電池電壓，單位為瓦時(shí)。
電池性能的測試
電池的化學(xué)成分和設(shè)計(jì)共同限制了輸出電流。若沒有實(shí)際因素限制性能，電池瞬時(shí)可以輸出無窮大電流。限制電池輸出電流的主要因素是基本化學(xué)反應(yīng)速率、電池設(shè)計(jì)，以及進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域。某些電池本身具有產(chǎn)生大電流的能力。如鎳鎘電池短路電流可大到足以融化金屬和引起火災(zāi)。其它一些電池只能產(chǎn)生弱電流。電池中所有化學(xué)和機(jī)械總效應(yīng)可用一個(gè)數(shù)學(xué)因數(shù)表示，即等效內(nèi)阻。降低內(nèi)阻可獲得更大電流。
沒有電池能永久儲(chǔ)存能量。電池不可避免要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并緩慢退化，導(dǎo)致儲(chǔ)存電量減少。電池容量與重量(或體積)之比稱為電池的能量密度。高能量密度意味著在給定體積和重量的電池中可存儲(chǔ)更多能量。
下表給出了個(gè)人電腦和蜂窩電話中可充電電池的主要化學(xué)成分，以及其額定電壓和能量密度(以瓦時(shí)每千克，或Wh/Kg表示)。
表1. 常用可充電電池化學(xué)成分的能量密度 CELL TYPENOMINAL
表1. 常用可充電電池化學(xué)成分的能量密度
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CELL TYPE
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NOMINAL
VOLTAGE (V)
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STORAGE
DENSITY (Wh/kg)
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Lead acid
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2.1
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30
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Nickel cadmium (NiCd)
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1.2
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40 to 60
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Nickel metal hydride (NiMH)
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1.2
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60 to 80
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Circular lithium ion (Li+)
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3.6
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90 to 100
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Prismatic lithium ion
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3.6
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100 to 110
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Polymer lithium ion
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3.6
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130 to 150
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表2. 常用可充電電池化學(xué)成分的特性
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Attribute
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Nickel Cadmium
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Nickel Metal Hydride
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Lithium Ion
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Energy density
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Low
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Medium
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High
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Energy storage
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Low
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Medium
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Medium
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Cycle life
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High
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High
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High
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Cost
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Low
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Medium
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High
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Safety
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High
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High
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Medium
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Environment
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Low
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Medium
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Medium
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若一次和二次電池都能達(dá)到同樣目的，為什么不總是選擇二次電池呢?原因是二次電池有以下缺點(diǎn)：
實(shí)際中，所有二次電池能量都會(huì)因自放電較快的損失
二次電池使用前必需充電
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)不能保證已充滿電。事實(shí)上它們很可能已被完全放電。因此，首先要根據(jù)制造商提供的、與化學(xué)成分相關(guān)的指南，對(duì)電池/電池組充電。
每次充電要根據(jù)電池化學(xué)成分按順序施加電壓和電流。因此，充電器和充電算法需滿足不同電池化學(xué)成分的不同要求。電池充電常用術(shù)語包括：用于NiCd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) 。
圖1. 半恒流充電，主要應(yīng)用于剃須刀，數(shù)字無繩電話和玩具
圖2. 定時(shí)器控制充電，主要應(yīng)用于筆記本，數(shù)據(jù)終端，無線設(shè)備和蜂窩電話
圖3. -DV終止充電方式，主要應(yīng)用于筆記本，數(shù)據(jù)終端，攝錄像機(jī)，無線設(shè)備和蜂窩電話
圖4. -dT/dt終止充電方式，應(yīng)用于電源設(shè)備和電動(dòng)工具
圖5. 涓流充電，主要應(yīng)用于應(yīng)急燈，導(dǎo)引燈和存儲(chǔ)器備份
鎳鎘電池充電
在0.05C至大于1C的范圍內(nèi)對(duì)NiCd電池恒流充電。一些低成本充電器使用絕對(duì)溫度終止充電。雖然簡單、成本低，但這種充電終止方法不精確。更好的方法是通過檢測電池充滿時(shí)的電壓跌落終止充電。對(duì)于充電速率為0.5C或更高的NiCd電池，-ΔV方法是最有效的。-ΔV充電終止檢測應(yīng)與電池溫度檢測相結(jié)合，因?yàn)槔匣姵睾筒黄ヅ潆姵乜赡軠p少ΔV。
通過檢測溫升速率(dT/dt)可以實(shí)現(xiàn)更精確的滿充檢測，這種滿充檢測比固定溫度終止對(duì)電池更好。基于ΔT/dt和-ΔV組合的充電終止方法可避免電池過充，延長電池壽命。
快速充電可改善充電效率。在1C的充電速率下，效率可以接近1.1 (91%)，充滿一個(gè)空電池的時(shí)間為1小時(shí)多一點(diǎn)。當(dāng)以0.1C充電時(shí)，效率便下降到1.4 (71%)，充電時(shí)間為14小時(shí)左右。
因?yàn)镹iCd電池對(duì)電能接收程度接近100%，所以幾乎所有的能量在充電開始的70%期間被吸收，而且電池保持不發(fā)熱。超快速充電器利用該特點(diǎn)，在幾分鐘內(nèi)將電池充到70%，以幾C的電流充電而無熱量產(chǎn)生。充到70%后，電池再以較低速率繼續(xù)充電，直到電池充滿。最后以0.02C至0.1C的涓流結(jié)束充電。
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ΔT/dt方法終止充電，這是到目前NiMH電池充電的最好辦法。NiMH電池充電結(jié)束時(shí)電壓下降比較小，而對(duì)低充電速率(低于0.5C，這取于溫度)可能不出現(xiàn)電壓下降。
新的NiMH電池會(huì)在充電周期內(nèi)過早地出現(xiàn)錯(cuò)誤峰值，這會(huì)導(dǎo)致充電器過早結(jié)束充電。此外，單用-ΔV檢測結(jié)束充電幾乎肯定會(huì)出現(xiàn)過充，導(dǎo)致在電池失效前限制充放電次數(shù)。
似乎沒有在所有條件下(新或舊，熱或冷，全部或部分放電)都適用的NiMH電池的-dV/dt充電算法。因此，除非NiCd充電器使用了dT/dt方法終止充電，否則不能用NiCd充電器為NiMH電池充電。而且，因?yàn)镹iMH電池不能很好的吸收過充，所以，涓流充電電流比NiCd電池小(約0.05C)。
NiMH電池的慢充比較困難。因?yàn)橐?.1C至0.3C的速率充電時(shí)，電壓和溫度的變化不能準(zhǔn)確指示電池已充滿。因此，慢速充電器必須依靠定時(shí)器來決定何時(shí)結(jié)束充電。以此，為保證NiMH電池充滿，應(yīng)以接近1C的速率(或電池制造商指定速率)快速充電，同時(shí)監(jiān)控電壓(ΔV = 0)和溫度(dT/dt)來確定何時(shí)結(jié)束充電。
鋰離子和鋰聚合物電池充電
鎳基電池充電器限制電流，而鋰離子電池充電器則需同時(shí)限制電壓和電流。最初的鋰離子電池充電電壓限制在4.10V/節(jié)。電壓越高意味著容量越大，現(xiàn)在可以通過增加化學(xué)添加劑實(shí)現(xiàn)4.20V電池電壓。當(dāng)前的鋰離子電池一般充電到4.20V，容差為±0.05V/節(jié)。
當(dāng)端電壓達(dá)到電壓閾值并且充電電流降至0.03C (約Icharge的3%，參考圖6)時(shí)表明電池已充滿。多數(shù)充電器達(dá)到滿充的時(shí)間約為3小時(shí)。盡管某些線性充電器聲稱Li+電池充電只需約一小時(shí)，但這類充電器通常在電池端電壓達(dá)到4.2V時(shí)就終止充電，這種方法只能將電池充到其容量的70%。
圖6. 恒流、恒壓充電，主要用于蜂窩電話，無線設(shè)備和筆記本電腦。
較高的充電電流并不會(huì)使充電時(shí)間縮短太多。較高的充電電流能較快達(dá)到電壓峰值，但是浮充需要較長時(shí)間。通常，浮充時(shí)間是初始充電時(shí)間的兩倍。
鋰離子電池保護(hù)
因?yàn)長i+電池過充或過放可能會(huì)導(dǎo)致爆炸并造成人員傷害，所以使用這類電池時(shí)，安全是主要關(guān)心的問題。因此，商用鋰離子電池組通常包括象DS2720這樣的保護(hù)電路(圖7)。DS2720提供了可充電Li+電池所需的所有保護(hù)功能，如：在充電時(shí)保護(hù)電池、防止電路過流、通過限制電池的放電電壓延長電池壽命。
圖7. DS2720鋰電池保護(hù)IC的典型應(yīng)用電路
DS2720 IC使用外部開關(guān)元件，如低成本n溝道功率MOSFET，來控制充電和放電電流。內(nèi)部9V的電荷泵為外部n溝道MOSFET提供高端驅(qū)動(dòng)，與常見使用相同F(xiàn)ET的低端保護(hù)電路相比具有更低的導(dǎo)通電阻。FET導(dǎo)通電阻實(shí)際上隨電池放電而減少(見圖8)。
圖8. 受DS2720高端模式控制的保護(hù)FET電阻小于傳統(tǒng)低端模式FET電阻。受DS2720控制的FET電阻實(shí)際上隨電池電壓下降而降低。
DS2720穩(wěn)壓的高端n-FET驅(qū)動(dòng)，即便在放電快結(jié)束時(shí)，都能保證低開關(guān)阻值。這將延長便攜設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。
監(jiān)控電池過壓/欠壓，過流和過熱
穩(wěn)壓電荷泵支持高端模式n型溝道MOSFET
集成電池選擇功能
8字節(jié)可鎖定用戶EEPROM
64位唯一電子序列號(hào)
低功耗：工作15µA，靜態(tài)1µA
提供8引腳MSPO微型封裝
1-Wire®數(shù)據(jù)通訊接口
DS2720允許用戶通過數(shù)據(jù)接口或?qū)Ｓ幂斎肟刂仆獠縁ET，減少了可充電Li+電池系統(tǒng)中額外的功率開關(guān)控制。DS2720通過其1-Wire接口提供主機(jī)系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)和控制寄存器、測量寄存器，以及通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫訪問。每個(gè)器件都有一個(gè)工廠編程的64位唯一地址，允許主機(jī)系統(tǒng)單獨(dú)尋址每個(gè)器件(圖9)。
圖9. 受DS2720保護(hù)的鋰離子電池波形
DS2720為電池信息存儲(chǔ)提供兩類存儲(chǔ)器，及EEPROM和可鎖定EEPROM。EEPROM是真正的非易失(NV)存儲(chǔ)器，用來保存重要的電池?cái)?shù)據(jù)，不會(huì)因電池過度放電、偶然短路或ESD事件丟失數(shù)據(jù)。可鎖定EEPROM在鎖定后相當(dāng)于只讀存儲(chǔ)器(ROM)，用于更安全地保存不再改變的電池?cái)?shù)據(jù)。
保護(hù)模式
過壓
如果在VDD檢測的電池電壓超過過壓閾值VOV時(shí)間大于過壓延遲時(shí)間tOVD，則DS2720關(guān)閉充電FET，并將保護(hù)寄存器的OV置位。在過壓期間，放電通路保持開放。除非被另外保護(hù)條件鎖定，當(dāng)電池電壓降到充電使能閾值VCE以下或由于放電導(dǎo)致VDD - VPLS > VOC時(shí)，充電FET被重新使能。
欠壓
如果在VDD檢測的電池電壓低于欠壓閾值VUV時(shí)間大于欠壓延遲時(shí)間tUVD，則DS2720關(guān)閉充電和放電FET，并將保護(hù)寄存器的UV置位，使其進(jìn)入休眠模式。當(dāng)電池電壓升到VUV以上和連接充電器后，IC打開充電和放電FET。
短路
如果在VDD檢測的電池電壓低于放電閾值VSC時(shí)間達(dá)到延遲時(shí)間tSCD，則DS2720關(guān)閉充電和放電FET，并將保護(hù)寄存器的DOC置位。除非PLS上的電壓升至大于VDD - VOC，否則充電和放電FET不會(huì)導(dǎo)通。DS2720提供流經(jīng)內(nèi)部VDD至PLS電阻RTST的測試電流，當(dāng)VDD升至大于VSC時(shí)上拉PLS。DS2720利用此測試電流檢測有害低阻抗負(fù)載的移除。另外，測試電流還提供了流經(jīng)RTST，由PLS到VDD的恢復(fù)性充電通路。
過流
若加在保護(hù)FET的電壓(VDD - VPLS)大于VOC的時(shí)間超過了tOCD，則DS2720關(guān)斷外部充電和放電FET，并將保護(hù)寄存器DOC置位。直到PLS上的電壓升至大于VDD - VOC時(shí)電路才會(huì)導(dǎo)通。DS2720提供流經(jīng)內(nèi)部VDD至PLS電阻RTST的測試電流來檢測有害低阻抗負(fù)載的移除。
過熱
若DS2720溫度超過TMAX，則立即關(guān)斷外部充電和放電FET。在以下兩個(gè)條件滿足前FET不會(huì)導(dǎo)通：電池溫度降到低于TMAX，主機(jī)將OT復(fù)位。
充電溫度
應(yīng)盡量在室溫下充電。鎳基電池應(yīng)在10°C至30°C (50°F至86°F)之間快速充電。低于5°C (41°F)和高于45°C (113°F)時(shí)鎳基電池的充電能力急劇下降。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°C (41°F)時(shí)充電速率應(yīng)小于1°C。
結(jié)論
NiMH充電器可為NiCd電池充電，反之則不行。NiCd電池專用的充電器將會(huì)使NiMH電池過充。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)晶引起的記憶效應(yīng)。鎳基和鋰基電池要求不同的充電算法。Li+電池需要保護(hù)電路來監(jiān)控和保護(hù)過流、短路、過壓、欠壓以及過熱。注意，在電池不常使用時(shí)，應(yīng)從充電器中取出，在使用前對(duì)電池浮充。
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