可充電電池：原理，隱患，及安全充電方法

摘要：本文概要介紹了電池充電方式和現(xiàn)代電池技術(shù)，以使讀者能更好的了解便攜設(shè)備中使用的電池。本文對鎳鎘(NiCd)電池，鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li+)電池的化學(xué)性質(zhì)進行了描述，還介紹了一款單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池保護芯片。

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)展的主要動力來自便攜設(shè)備(例如移動電話，膝上電腦，攝錄像機和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存系統(tǒng)，則其有可能包括飛輪和時鐘發(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，對于額定為1安時(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。

電池性能的測試

電池的化學(xué)成分和設(shè)計共同限制了輸出電流。若沒有實際因素限制性能，電池瞬時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，以及進行化學(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)和機械總效應(yīng)可用一個數(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。

沒有電池能永久儲存能量。電池不可避免要進行化學(xué)反應(yīng)并緩慢退化，導(dǎo)致儲存電量減少。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更多能量。

下表給出了個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 TYPE	NOMINAL VOLTAGE (V)	STORAGE DENSITY (Wh/kg)
Lead acid	2.1	30
Nickel cadmium (NiCd)	1.2	40 to 60
Nickel metal hydride (NiMH)	1.2	60 to 80
Circular lithium ion (Li+)	3.6	90 to 100
Prismatic lithium ion	3.6	100 to 110
Polymer lithium ion	3.6	130 to 150

表2. 常用可充電電池化學(xué)成分的特性

Attribute	Nickel Cadmium	Nickel Metal Hydride	Lithium Ion
Energy density	Low	Medium	High
Energy storage	Low	Medium	Medium
Cycle life	High	High	High
Cost	Low	Medium	High
Safety	High	High	Medium
Environment	Low	Medium	Medium

若一次和二次電池都能達到同樣目的，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：

• 實際中，所有二次電池能量都會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)不能保證已充滿電。事實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至6)。


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，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)引燈和存儲器備份

表3. 充電方式

Chemistry	Charging Method	Feature	No. of Terminals	Charge Time(hours)	Charge Current (CmA)	Trickle Current(CmA)	Charge Level at End of Charge (%)	Figure Reference
Nickel Based (NiCl and NiMH)	Semi-constant current charging	Most typical system; simple and low cost	2	15	0,1	----	----	1
	Timer-controlled charging	More reliable than semiconstant current system; relatively simple and low cost	2	6 to 8	0,2	1/20-1/30	Approx. 120	2
	-V cut-off charging	Most popular; more complex	2	1 to 2	0,5-1	1/20-1/30	Approx. 110 to 120	3
	T/t cut-off charging	More costly, but overcharge can be avoided enabling longer life cycle that the others	3 or 4	1 to 2	>1	1/20-1/30	Approx. 100 to 110	4
	Trickle-charging	Simple and low cost; applicable for continuous long charging	2	15	0,1	----	----	5
Lithium Based	Constant current-constant voltage (CC-CV)	Not recommended for the main charge-control system for Ni-Cd /NiMH batteries. Prevailing charge method for Li+ and Li- Polymer batteries.Relatively complex charger design.	2	1 to 3	1	----	Approx 100	6

表4. 不同化學(xué)成分電池充滿的判據(jù)

Chemistry	NiCl	NiMH	Li+
Charging	Constant current	Constant current	Constant current/constant voltage
Full charge detect	-V/dt and/or T/dt	V/dt = 0 and/or T/dt	Icharge = eg 0.03C and/or time

如上所示，電池化學(xué)成分和充電技術(shù)不同，充電終止的判定條件也不同。

鎳鎘電池充電

在0.05C至大于1C的范圍內(nèi)對NiCd電池恒流充電。一些低成本充電器使用絕對溫度終止充電。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的電壓跌落終止充電。對于充電速率為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，因為老化電池和不匹配電池可能減少ΔV。

通過檢測溫升速率(dT/dt)可以實現(xiàn)更精確的滿充檢測，這種滿充檢測比固定溫度終止對電池更好?；讦/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%)，充滿一個空電池的時間為1小時多一點。當(dāng)以0.1C充電時，效率便下降到1.4 (71%)，充電時間為14小時左右。

因為NiCd電池對電能接收程度接近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，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)束時電壓下降比較小，而對低充電速率(低于0.5C，這取于溫度)可能不出現(xiàn)電壓下降。

新的NiMH電池會在充電周期內(nèi)過早地出現(xiàn)錯誤峰值，這會導(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，因為NiMH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。因為以0.1C至0.3C的速率充電時，電壓和溫度的變化不能準確指示電池已充滿。因此，慢速充電器必須依靠定時器來決定何時結(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，同時監(jiān)控電壓(ΔV = 0)和溫度(dT/dt)來確定何時結(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)端電壓達到電壓閾值并且充電電流降至0.03C (約Icharge的3%，參考圖6)時表明電池已充滿。多數(shù)充電器達到滿充的時間約為3小時。盡管某些線性充電器聲稱Li+電池充電只需約一小時，但這類充電器通常在電池端電壓達到4.2V時就終止充電，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使充電時間縮短太多。較高的充電電流能較快達到電壓峰值，但是浮充需要較長時間。通常，浮充時間是初始充電時間的兩倍。

鋰離子電池保護

因為Li+電池過充或過放可能會導(dǎo)致爆炸并造成人員傷害，所以使用這類電池時，安全是主要關(guān)心的問題。因此，商用鋰離子電池組通常包括象DS2720這樣的保護電路(圖7)。DS2720提供了可充電Li+電池所需的所有保護功能，如：在充電時保護電池、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，與常見使用相同F(xiàn)ET的低端保護電路相比具有更低的導(dǎo)通電阻。FET導(dǎo)通電阻實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FET電阻小于傳統(tǒng)低端模式FET電阻。受DS2720控制的FET電阻實際上隨電池電壓下降而降低。

DS2720穩(wěn)壓的高端n-FET驅(qū)動，即便在放電快結(jié)束時，都能保證低開關(guān)阻值。這將延長便攜設(shè)備運行時間。

• 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
• 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接口提供主機系統(tǒng)對狀態(tài)和控制寄存器、測量寄存器，以及通用數(shù)據(jù)存儲器的讀寫訪問。每個器件都有一個工廠編程的64位唯一地址，允許主機系統(tǒng)單獨尋址每個器件(圖9)。


圖9. 受DS2720保護的鋰離子電池波形

DS2720為電池信息存儲提供兩類存儲器，及EEPROM和可鎖定EEPROM。EEPROM是真正的非易失(NV)存儲器，用來保存重要的電池數(shù)據(jù)，不會因電池過度放電、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)于只讀存儲器(ROM)，用于更安全地保存不再改變的電池數(shù)據(jù)。

保護模式

過壓
如果在VDD檢測的電池電壓超過過壓閾值VOV時間大于過壓延遲時間tOVD，則DS2720關(guān)閉充電FET，并將保護寄存器的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，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時間大于欠壓延遲時間tUVD，則DS2720關(guān)閉充電和放電FET，并將保護寄存器的UV置位，使其進入休眠模式。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時間達到延遲時間tSCD，則DS2720關(guān)閉充電和放電FET，并將保護寄存器的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時上拉PLS。DS2720利用此測試電流檢測有害低阻抗負載的移除。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FET的電壓(VDD - VPLS)大于VOC的時間超過了tOCD，則DS2720關(guān)斷外部充電和放電FET，并將保護寄存器DOC置位。直到PLS上的電壓升至大于VDD - VOC時電路才會導(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。在以下兩個條件滿足前FET不會導(dǎo)通：電池溫度降到低于TMAX，主機將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)時鎳基電池的充電能力急劇下降。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°C (41°F)時充電速率應(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使NiMH電池過充?？焖俪潆娍稍鰪婃嚮姵氐膲勖托阅?，這是因為快速充電降低了內(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+電池需要保護電路來監(jiān)控和保護過流、短路、過壓、欠壓以及過熱。注意，在電池不常使用時，應(yīng)從充電器中取出，在使用前對電池浮充。