充电方法和现代电池技术的发展原理及应用方法分析

充电方法和现代电池技术的发展原理及应用方法分析

电池的使用从未像现在这样广泛。 电池变得越来越小、越来越轻，单位体积可容纳更多能量。 电池发展的主要驱动力来自便携式设备（手机、笔记本电脑、摄像机、MP3播放器）的发展。

本文概述了充电方法和现代电池技术，以更好地了解便携式设备中使用的电池。 其中包括镍镉 (NiCd)、镍氢 (NiMH) 和锂离子 (Li+) 电池化学成分的描述。 本文还介绍了单节锂离子电池和锂离子聚合物电池的保护装置。

电池定义

电池称为能量存储系统，其中还包括续流源和时钟源。 从现代技术的角度来看，电池通常是一种便携式设备，是一种产生电能的自存储化学系统。

一次性电池（称为不可充电电池或原电池）通过不断改变电池的化学反应产生电能。 一次性电池的放电会导致电池化学成分发生永久性且不可逆的变化。 另一方面，可充电电池称为二次电池，通过充电器充电并在使用过程中放电。 因此，二次电池可以多次产生能量并多次储存能量。

充电或放电电流（以安培为单位）通常表示为额定容量（称为 C 倍率）的倍数。 例如，额定电流为 1 安培一小时 (1Ah) 的电池的 C/10 放电电流为 1Ah/10 = 100mA。 电池的额定容量（Ah 或 mAh）是指在特定条件下充满电时可以存储（产生）的电量。 因此，电池的总能量就是容量乘以电压，单位是瓦特/小时。

图1 半恒流充电（主要应用于电动剃须刀、数码无绳电话、玩具等应用）

图2 定时器控制充电（主要用于笔记本电脑、数据终端、无线设备和蜂窝电话）

图 3 - ΔV 截止电流（用于笔记本电脑、数据终端、摄像机、无线设备和蜂窝电话）

图4-dT/dt充电终止（用于电动工具和电动工具）

电池性能测试

电池的化学成分和设计共同限制了电池可以提供的电流量。 在没有实际性能限制的情况下，电池可以产生无限量的电流。 限制电池性能的主要因素是化学成分的反应速率、电池设计和反应发生的区域。 有些电池能够产生大电流。 例如，镍镉电池产生的电流足以熔化金属并引起火灾。 其他电池只能产生微弱电流。

电流中所有化学和机械因素的净效应可以表示为单个数学因素——等效内阻。 降低内阻会产生更大的电流。

没有电池可以永久储存能量。 不可避免地，电池的化学反应能力逐渐下降，导致电池储存的电荷减少。 电池容量与重量（或尺寸）的比值称为电池的存储密度。 在给定尺寸和重量的电池中，高存储密度意味着可以存储更多能量。

表 1 给出了个人电脑和手机中使用的主要电池化学成分的额定电压和存储密度（以每公斤重量一小时的瓦特数或 Wh/Kg 表示）。

表2列出了几种电池的主要特性。

如果一次电池和二次电池都能达到同样的目的，为什么不总是选择二次电池呢？ 这是因为二次电池具有以下缺点：

给电池充电

新的充电电池或电池组（一个电池组中的几节电池）不能保证充满电。 事实上，他们可能已经快出院了。 因此，首先要做的是根据制造商有关化学成分的指南对电池/电池组充电。

每次充电操作根据电池的化学成分依次增加电压和电流。 因此，充电器和充电算法满足电池化学的不同要求。 电池充电中经常遇到的术语有：镍氢电池和镍氢电池的恒流（CC）以及锂离子和锂聚合物电池的恒流/恒压（CC/CV）（见图1-6）。

表3列出了各种充电方法。

镍镉电池充电

添加恒流（0.05C-1C）对NiCd电池充电。 一些低成本充电器依靠绝对温度来终止充电。 虽然简单且成本低廉，但这种充电终止方法并不精确。 更好的方法是通过检测电压下降来终止充电。 -ΔV 方法对于充电速率为 0.5C 或更高的 NiCd 电池最有效。 - ΔV 充电终止检测应与电池温度测量相结合，因为劣化和不匹配的电池会降低 ΔV。

通过检测温度上升率（dT/dt）可以实现更准确的满充电检测，这是比固定温度终止法更好的充电检测方法。 基于dT/dt和-ΔV终止组合方法的充电终止方法具有更长的生命周期，并且可以避免过充电。

快速充电提高充电效率。 1C 时的效率接近 1.1 (91%)，而空载电池的充电时间略多于 1 小时。 以0.1C充电时，效率降至1.4（71%），充电时间约为14小时。

由于镍镉电池的充电接受能力接近100%，因此在前70%的充电过程中几乎所有能量都被吸收，而电池仍保持微冷状态。 超快速充电器利用这一特性，可在几分钟内将电池充电至 70%，所增加的电流相当于 C 速率的数倍，且不会产生热量。 达到 70% 电量后，电池继续以较低速率充电，直至电池充满。 最后加入0.02~0.1C的涓流电流结束电池充电。

镍氢电池充电

虽然镍氢充电器与镍镉充电器类似，但镍氢充电器采用dT/dt方法，这是镍氢电池充电的最佳方式。 镍氢电池的充电结束电压降相对较小，并且对于小充电率（低于 0.5C，取决于温度），根本不会出现电压降。

新的镍氢电池在充电周期的早期会产生不可靠的峰值，这会导致充电器过早结束充电。 此外，使用-△V来检测充电结束可以防止过度充电，这本身就限制了电池失效之前的充电/放电次数。 它似乎并非在所有条件下都可用（新或旧、热或冷、完全放电或部分放电）。-dV/dt 算法可以使镍氢电池充电更加高效。 因此，镍氢电池不能用镍镉充电器充电，除非使用 dT/dt 方法终止。 由于镍氢电池无法吸收过充，因此涓流充电必须小于镍镉电池（约0.05C）。

对镍氢电池进行慢速充电很困难，因为与 0.1C-0.3C 范围内的倍率相关的电压和温度分布无法提供足够准确的满充电状态指示。 因此，慢速充电器必须依靠计时器来指示充电周期何时结束。 因此，要给镍氢电池充满电，应采用接近 1C（或电池制造商指定的 C 速率）的快速充电，同时监测电压 (ΔV=0) 和温度 (dT/dt)，以确定何时完成充电。

为锂离子和锂聚合物电池充电

事实上，镍基电池充电器是限流的，而锂离子电池充电器是限制电压和电流的。 第一代锂离子电池的充电电压限制为4.10V/电池。 更高的电压意味着更大的容量，4.20V的电池电压是通过添加化学添加剂实现的。 现代锂离子电池一般充电至4.20V（容差±0.05V/电池）。

当充电端电压达到电压阈值且充电电流降至0.03C（接近3%Ich，见图6）后，即实现完全充电。 大多数充电器大约需要 3 小时才能充满电，而一些线性充电器声称可以在大约 1 小时内为 Li+ 电池充满电。 该充电器通常在电池端电压达到4.2V时终止充电。 然而，此规定只能将电池充电至其容量的 70%。

较大的充电电流并不能过多缩短充电时间。 充电电流越大，可以越快达到电压峰值，但浮充时间越长。 根据经验，浮充电时间是初始充电时间的两倍。

锂离子电池安全措施

由于过度充电（或过度放电）锂离子电池可能会导致电池爆炸和人身伤害，因此使用这些电池时，安全是一个主要问题。 因此，包含此类保护电路（图 7）的商用锂离子电池组可提供可充电 Li+ 电池应用所需的所有电池保护功能：充电期间保护电池、防止电流过大并限制电流的保护电路。电池耗尽时，级别可最大限度地延长电池寿命。

使用外部开关器件（例如低成本N沟道电源）来控制充电和放电电流的路径。 该 IC 的内部 9V 电荷泵为外部 n 沟道提供高侧驱动，与常见低侧保护电路中相同功能的 FET 相比，其导通电阻更低。 FET 导通电阻随着电池放电而降低（见图 8）

图5 涓流充电（主要用于应急灯、导向灯、存储器、备用设备）

图6 恒流、恒压充电（适用于手机、无线设备和笔记本电脑）

外部 FET 可以通过数据接口或专用输入进行控制，从而消除可充电锂离子电池系统中的额外电源开关控制。 通过其 1-Wire 接口，它为主机系统提供对状态和控制寄存器、仪器寄存器以及通用数据存储的读/写访问。 工厂编程的 64 位唯一地址允许主机系统单独寻址每个设备。

提供两个用户存储器用于电池信息存储和锁定表。 是真正的非易失性 (NV) 存储器，其内容（重要的电池数据）不会受到电池严重耗尽、突然短路或 ESD 冲​​击的影响。 锁定后，锁定表将变为只读存储器 (ROM)，并为保留电池数据提供额外的安全性。

保护模式

过压：如果 VDD 检测到的电池电压超过过压阈值 Vov 的时间超过过压延迟 TOVD，则外部充电 FET 将关闭，并且保护寄存器中的 OV 标志被置位。 在过压期间，放电路径保持打开状态。 当电池电压降至充电使能阈值电压 VCE 以下或放电导致 VDD-VPLS>VOC 时，充电 FET 重新启用（除非被其他保护条件阻止）。

欠压：如果 VDD 检测到的电池电压低于欠压阈值 VUV 的时间超过欠压延迟 TUVD，充电和放电 FET 将关闭，并且保护寄存器的 UV 标志被置位，使其进入睡眠模式。 电池电压升至 VUV 以上并连接充电器后，IC 开启充电和放电 FET。

短路：在 TSCD 周期内，如果 VDD 检测到的电池电压低于消耗阈值电压 VSC，充电和放电 FET 将关闭，并且保护寄存器的 DOC 标志被置位。 在 PLS 上的电压上升到 VDD-VOC 以上之前，不会重新建立通过充电和放电 FET 的电流路径。 提供流经内部电阻 RTST 的测试电流（从 VDD 到 PLS，当 VDD 升至高于 VSC 时，上拉 PLS）。 该测试电流可以检测低阻抗负载中的偏移。 此外，可以通过RTST恢复从PLS到VDD的充电路径。

过流：如果施加到保护 FET（VDD-VPLS）的电压大于 VOC，持续时间超过 TOCD，则外部充放电 TET 将关闭，并且保护寄存器 DOC 标志将被置位。 在 PLS 上的电压上升到 VDD-VOC 以上之前，电流路径不会重新建立。 测试电流通过内部电阻 TRST（从 VDD 到 PLS）提供，以检测不合格低阻抗负载中的偏移。

过温：如果温度超过 TMAX，外部充放电 FET 将立即关闭。 在满足以下两个条件之前，FET 不会导通：电池温度降至 TMAX 以下并且主机复位 OT 位。

充电温度

充电应尽可能在室温下进行。 镍基电池应在10℃~30℃之间快速充电。 低于 5℃ (41oF) 和高于 45℃ (113oF) 时，镍基电池的充电接受能力急剧下降。 锂离子电池在整个温度范围内表现出良好的充电性能，但低于 5°C (41oF) 时，充电速率小于 1C。

结论

NiMH 充电器可以容纳 NiCd 电池，但反之则不行。 专为镍镉电池设计的充电器会对镍氢电池过度充电。 快速充电可提高镍基电池的寿命和性能，因为它减少了内部结晶引起的记忆效应。 镍电池和锂电池需要不同的充电算法。 锂离子电池需要保护电路来监控和防止过流、短路、过压、欠压以及过热。

注意：当电池不经常使用时，请将电池从充电器中取出，并在使用前将电池充满电。

图7 锂电池保护电路

图8（高侧）模式控制保护FET电阻小于传统低侧模式FET工作值。控制FET电阻随着电池电压的增加而降低