充電電池和單機快速充電器概述

摘要：本應用筆記簡單介紹了鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li-Ion，Li+)可充電電池, 討論它們的性能，并說明在不需要微控制器的情況下如何構(gòu)建單機結(jié)構(gòu)，安全、快速地為鎳氫和鋰離子電池充電。

概述

充電電池已經(jīng)成為當今電子產(chǎn)品的一種標準電源，特別是便攜設(shè)備：筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機。盡管電源電壓在不斷降低，但可充電電池消耗的絕對功率仍在不斷增大。功耗增長的主要原因是設(shè)備功能的增強，例如：數(shù)碼相機與手機的功能整合，筆記本電腦更高的運算速度以及大尺寸屏幕的需求等等。便攜設(shè)備功耗的增大使得用可充電電池要比標準電池性價比更高。更為重要的是，可充電電池更有利于環(huán)保。使用充電電池可極大地減少有害物質(zhì)的排放、材料的消耗、以及生產(chǎn)同等一次性電池所需的能源。

本文介紹了可充電電池的化學成分；同時說明了各種充電電池的典型特征和選擇電池類型時需要重點注意的事項。另外還討論了在不使用微控制器或電源浪涌保護的主適配器的情況下如何構(gòu)建單機結(jié)構(gòu)，安全、快速地對鎳氫和鋰離子充電電池進行充電。

可充電電池類型

20世紀80年代的便攜設(shè)備，如數(shù)字無繩電話、隨身聽和電動剃須刀等，主要由鎳鎘(NiCd)電池供電。到了90年代后期，鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li-Ion)電池逐漸進入市場并開始流行。

因為價格比鎳氫和鋰離子電池便宜，鎳鎘電池在低端應用中十分普遍。鎳鎘電池可提供最高的放電電流，適合短時間內(nèi)需要大功率輸出的應用。

另一方面，鎳鎘電池曾經(jīng)被所謂的記憶效應困擾(現(xiàn)在的鎳鎘電池很少考慮這個因素)，使電池容量降低。如果鎳鎘電池在未完全放電的情況下再充電，一些活性物質(zhì)會累積并且開始結(jié)晶(在陽極有100μm的鎘累積層)，通過化學反應這層物質(zhì)會自行消失(一塊全新電池的陽極大約有1微米厚度的鎘結(jié)晶)。

出現(xiàn)記憶效應會導致電池容量越來越小，端電壓越來越低，使得電池到達最低可用端電壓(關(guān)斷點)的時間比預期的早許多，如圖1所示。鎳鎘電池的另一個缺點是它的活性物質(zhì)中含有有毒的鎘(Cd)，早期的鎳鎘電池在處理時會產(chǎn)生環(huán)境和成本問題。。所以，歐洲法規(guī)2000/53/EG在2005年12月31號后禁止銷售鎳鎘充電電池。

鎳氫電池比鎳鎘電池更環(huán)保，但是價格更貴。鎳氫電池的放電電流略小，但受惰性效應的影響。惰性效應是比鎳鎘電池記憶效應稍輕的一種現(xiàn)象。惰性效應是由于鎳的結(jié)晶導致的。惰性效應和記憶效應一樣，導致無法完全使用可充電電池的全部容量，但都可以通過使用帶有放電功能的充電器來避免。


圖1. 鎳鎘電池的記憶效應與鎳氫電池的惰性效應之間的比較

鋰電子可充電電池價格最高，但具有足夠高的能量密度，因而可以在給定尺寸下提供更優(yōu)性能，更適合小尺寸、高集成度的便攜設(shè)備。

表1給出了各種類型電池的主要特性。

表1. 各種類型充電電池概述

?	NiCd	NiMH	Li-Ion
Energy Density	Average	Average	High
Memory Effect or Lazy Effect	Memory effect	Lazy effect	No
Costs	Cheap	Average	Expensive
Self-Discharge, % per Month*	~ 25	~ 25	~ 8
Maximum Discharge Current	> 5C	< 3C	< 2C

*室溫環(huán)境下。
C = 電池容量。

單機鎳氫電池快速充電器

雖然很多人更偏愛鋰離子電池，鎳氫電池的使用依然很流行。因為鎳氫電池比鋰離子電池便宜很多，所以在MP3播放器、閃光燈配件、車燈等設(shè)備中經(jīng)常能看到標準的AA和AAA鎳氫電池。

一塊可充電鎳氫電池的溫度和端電壓隨著電池的充電逐步上升，在電池完全充滿后開始下降(圖2)。所以，鎳氫電池充電器的主要任務(wù)是檢測到這個突變點并中斷充電，或者從快速充電切換到涓流充電。另外，在充電過程中對溫度和電壓進行連續(xù)監(jiān)控可以提供系統(tǒng)的安全性。


圖2. 這些曲線顯示了NiMH充電電池充電過程中典型的電壓(頂部)和溫度(底部)隨時間的變化

DS2711/DS2712充電器具備上述功能。另外，它們可以單機工作，不需要微控制器或微處理器監(jiān)控。該系列產(chǎn)品是專門為單節(jié)AA或AAA可充電電池設(shè)計的，同時也適用于串聯(lián)或并聯(lián)的兩節(jié)電池。DS2711采用線性控制結(jié)構(gòu)，DS2712采用開關(guān)控制結(jié)構(gòu)。為了最大限度地延長工作時間、節(jié)約電池能量，這些充電器有4種充電模式：預充電、快速充電、浮充和涓流充電。在浮充模式下，電池充滿后充電速率被切換到一個比較低的速率(對于DS2711而言是25%)。

除監(jiān)控功能外，DS2711/DS2712充電器還帶有內(nèi)部計時器，通過連接到TMR引腳的外部電阻設(shè)定最大充電時間，可將快速充電時間設(shè)置在0.5到10小時。浮充時間已經(jīng)設(shè)定為最大充電時間的一半(0.25到5小時)。根據(jù)所要求的充電時間(TAPPROX)，由下式計算電阻值：

R = 1000TAPPROX / 1.5(式1)

快速充電模式下，如果超過最大充電時間，充電器會從快速充電模式切換到浮充模式，同時復位計時器。計時器開始為浮充過程計時，如果達到預定的浮充時間，充電器將從浮充模式切換到涓流模式(圖3)。


圖3. 該典型應用電路中，DS2711電池充電器為2個串聯(lián)的鎳氫充電電池充電

VP1、VP2用于監(jiān)視電壓，THM1、THM2配合熱敏電阻用來監(jiān)測電池的溫度。TMR (計時器)和RSNS (檢流電阻)用于設(shè)定充電時間和充電電流。DS2711/DS2712的另外一個特性是可以檢測電池充電故障和堿性原電池。如果發(fā)生這些情況，充電器會自行關(guān)機。該特性十分重要，因為如果給堿性電池充電會造成電池泄漏，產(chǎn)生有害的液體和/或氣體。有毒氣體以及會與周圍材料起反應的液體通常會損壞電路和/或外圍設(shè)備。

如何檢測堿性電池

全新的鎳氫AA電池的典型內(nèi)阻在30mΩ到100mΩ，堿性電池的內(nèi)阻一般在200mΩ到300mΩ (根據(jù)充電狀態(tài)，最高可到700mΩ)，出現(xiàn)故障的充電電池會有很高的內(nèi)阻。DS2711/DS2712通過檢測到的電池電壓(VP1和VP2)和已設(shè)定的充電電流可以計算出待充電電池的內(nèi)阻。

CTST引腳(用于電池測試、設(shè)置門限)控制電池內(nèi)阻的測量。VCTST是充電過程中的電池電壓減去無充電電流時的開路電池電壓(OCV)后的差值。這個值等于充電電流乘以電池內(nèi)阻的乘積。如果檢測引腳(VP1、VP2和VN1)與電池沒有采用Kelvin連接，引線電阻也將計入測量值，影響VCTST。計算外部電阻RCTST的公式為：

RCTST = 8000 [V2/A]/VCTST, where VCTST = ICharge × RCELL(式2)

例如，當以C/2速率(1.1A)為2200mAh NiMH電池充電時， 選擇RCELL = 150mΩ為電池內(nèi)阻門限時，VCTST將為：

VCTEST = ICHARGE × RCELL = 1.1A × 150mΩ = 0.165V

或：

RCTST = 8000 [V2/A]/0.165V = 48,485Ω
(最近的標準1%阻值為48.7kΩ)

如果超過VCTST門限(本例中> 0.165V)，表明電池內(nèi)阻與引線電阻之和高于150mΩ，芯片會提供邏輯指示或出錯信息指示(LED1、LED2)，同時停止充電過程(圖4)。


圖4. 圖3中所示充電器的充電流程

單機鋰離子電池快速充電器

因為不需要檢測電壓變化率(dV/dt)，鋰離子電池充電器比鎳氫電池簡單。同時，由于鋰離子電池對過充非常敏感，充電器需要一個精確的4.2V ± 50mV電源保證恒電流充電。至于鎳氫電池，充電器不僅需要電壓監(jiān)測，還需要其它監(jiān)控功能(溫度、計時等)。

單機鋰離子電池充電器MAX8601內(nèi)置所謂的VBATT可控電壓源，它可以在+25°C提供4.2V ± 0.021V，或在40°C < T < 85°C提供4.2V ± 0.034V的精度。當通過VBATT連接給鋰離子電池充電時，充電器可以保持恒定輸出電流(圖5)，外部電阻(接SETI引腳)和外部電容(接CT引腳)可以設(shè)定充電電流和內(nèi)部計時。該充電器還通過一個負溫度系數(shù)電阻來監(jiān)控電池的溫度。


圖5. MAX8601鋰離子電池單機充電器的典型應用電路圖

MAX8601充電器的主要優(yōu)點是可以通過外部適配器或USB端口給電池充電(圖6)。USB端口根據(jù)USEL引腳的設(shè)置可以提供100mA、500mA電流(典型USB輸出電流)。該芯片會自動選擇外部電源(主適配器或USB)。如果兩個電源同時存在，它會選擇主適配器進行充電。任何一個電源都必須能夠提供最小4.5V的電壓。通過USB端口充電可以降低外部電源模塊的成本，電源模塊通常體積較大且效率較低。

MAX8601具有低電池電壓預充、限壓/限流快速充電和浮充模式等控制算法，優(yōu)化了鋰離子電池充電。器件還有上電復位以及電池過壓、高溫/低溫檢測和充電時間的連續(xù)監(jiān)測功能。充電過程中出現(xiàn)過壓、高溫或低溫會造成充電電池的永久損壞，降低電池容量和使用時間，甚至使電池報廢。最壞的情況下，會造成電池泄漏或爆炸。MAX8601確保充電過程中不會出現(xiàn)上述危害，從而延長了電池使用時間，消除了潛在的危險情況。


圖6. 圖5中充電器的充電流程圖

結(jié)論

DS2711/DS2712和MAX8601都是單機充電器，它們具有多種監(jiān)控功能(電壓、功率、溫度、計時等)，既不需要微控制器監(jiān)控，也不需要電源浪涌保護，而且提供清晰、簡單的外部切換。

常見問題及解答

1. 能否用鎳氫電池充電器給鎳鎘電池充電？
   
   答：勉強可以。由于不同的可再充電電池具有不同的關(guān)斷特性，鎳鎘電池在dV/dt = 0時關(guān)斷，而鎳氫電池在dV/dt < 0時關(guān)斷。
   
   
2. 在同一個設(shè)備中能否安裝不同容量的可再充電電池，或者新、舊電池混合使用？
   
   答：可以，但是不推薦。因為設(shè)備的性能將會由最弱的電池決定。
   
   
3. 什么場合不適合使用可再充電電池？
   
   答：不要在諸如遙控和煙霧報警等應用中使用充電電池。因為這些應用的電源要求比較低，而且設(shè)備不經(jīng)常使用。可再充電電池比普通電池具有更高的自放電率。譬如，鎳氫電池每天損失1%的電量。因而它的工作時間不太長。
   
   
4. 能否給一次性電池(如堿性電池)充電？
   
   答：不能給堿性電池充電。堿性電池的化學成分及構(gòu)造不適合進行充電，強加入的能量會發(fā)熱，隨著內(nèi)部溫度的上升，電池通常會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，有時可能會爆炸。電池內(nèi)部的有毒物質(zhì)對環(huán)境的影響很大。
   
   
5. 為什么監(jiān)測充電電池的溫度十分重要？
   
   答：盡管充電電池的化學成分及構(gòu)造適合進行充電，但對電池允許的電量及充電速率有所限制。短時間內(nèi)充入過多電量會使內(nèi)部溫度升高，同堿性電池一樣，可能造成電池泄漏甚至爆炸。一旦充電電池充滿電，額外的電荷會使電池發(fā)熱。如果不對溫度進行監(jiān)測，并降低充電速率或停止充電，可能會對環(huán)境產(chǎn)生同樣的危害。這就是DS2711/DS2712/MAX8601在充電過程中監(jiān)測諸多參數(shù)的原因所在，這樣將確保較長的電池使用時間以及安全的充電過程。

其他技術(shù)資源
Maxim Integrated Products
VARTA
Duracell?
Battery University
Stiftung Gemeinsames und Rücknahmesystem Batterien [德國廢舊電池公共收集系統(tǒng)]

類似的文章發(fā)表于Design and Elektronik，2006年3月。