可 充電電池：原理，隱患，及安全充電方法

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代電池技術，以使讀者能更好的瞭解便攜設備中使用的電池。本文對鎳鎘(NiCd)電池，鎳氫(NiMH)電 池和鋰離子(Li+)電池的化學性質進行了描述，還介紹了一款單節鋰離子和鋰聚合物電池保護晶片。

 

概述

電池的應用從來沒有像現在這麼廣泛。電池正在變得更小、更輕，在單位體積內容納更多能量。電池發展的主要動力來自便攜設備(例如移動電話，膝上電腦，攝錄 像機和MP3播放器)的快速發展。這篇關於充電方式和現代電池技術的應用筆記將幫助您更好瞭解這些便攜設備中使用的電池。

電池的定義

如果電池僅定義為能量儲存系統，則其有可能包括飛輪和時鐘發條等元件。在現代技術中電池的更精確定義為：能夠產生電能的便攜、獨立化學系統。

 

一次電池，又叫不可充電電池或原電池，從電池單向化學反應中產生電能。原電池放電導致電池化學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，而不是產生能量。

 

充電和放電電 流(安 培)通常用電池額定容量的倍數表示，叫做充電速率(C-rate)。例如，對於額定為1安時(Ah)的電池，C/10的放電電流等於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(產生)的電能。因此，電池的總能量等於容量乘以電池電壓，單位為瓦 時。

電池性能的測試

電池的化學成分和設計共同限制了輸出電流。若沒有實際因素限制性能，電池暫態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反應速率、電池設 計，以及進行化學反應的區域。某些電池本身具有產生大電流的能力。如鎳鎘電池短 路電流可大到足以融化金屬和引起火災。其他一些電池只能產生弱電流。電池中所有化學和機械總效應可用一個數學因數表示，即等效內阻。降低內阻可獲 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反應並緩慢退化，導致儲存電量減少。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)。

 

 

 

若一次和二次電池都能達到同樣目的，為什麼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，首先要根據製造商提供的、與化學成分相關 的指南，對電池/電池組充電。

 

每次充電要根據電池化學成分按順序施加電壓和電流。因此，充電器和充電演算法需滿足不同電池化學成分的不同要求。電池充電常用術語包括：用於NiCd和NiMH電 池的恒流(CC)，和用於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，主要應用於剃鬚刀，數位無繩電話和玩具

 

圖2. 計時器控制充電，主要應用於筆記本，資料終端，無線設備和蜂窩電話

 

圖3. -DV終止充電方式，主要應用於筆記本，資料終端，攝錄影機，無線設備和蜂窩電話

 

圖4. -dT/dt終止充電方式，應用於電源設備和電動工具

 

圖5. 涓流充電，主要應用於應急燈，導引燈和記憶體備份

 

 

表4. 不同化學成分電池充滿的判據

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，電池化學成分和充電技術不同，充電終止的判定條件也不同。

 

鎳鎘電池充電

在0.05C至大於1C的範圍內對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。對於充電速率為0.5C或更高的 NiCd電池，-ΔV方法是最有效的。-ΔV充電終止檢測應與電池溫 度檢測相結合，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。基於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%)，充滿一個空電池的時間為1小時多一點。當以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，而且電池保持不發熱。超快速充電器利用該特點，在幾分鐘 內將電池充到70%，以幾C的電流充電而無熱量產生。充到70%後，電池再以較低速率繼續充電，直到電池充滿。最後以0.02C至0.1C的涓流結束充 電。

 

鎳氫電池充電

儘管NiMH充電器與NiCd充電器類似，但是，NiMH充電器採用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 束時電壓下降比較小，而對低充電速率(低於0.5C，這取於溫度)可能不出現電壓下降。

 

新的NiMH電池會在充電周 期內過早地出現錯誤峰值，這會導致充電器過早結束充電。此外，單用-ΔV檢測結束充電幾乎肯定會出現過充，導致在電池失效前限制充放電次數。

 

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充電演算法。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計時器來決定何 時結束充電。以此，為保證NiMH電池充滿，應以接近1C的速率(或電池製造商指定速率)快速充電，同時監控電壓(ΔV = 0)和溫度(dT/dt)來確定何時結束充電。

 

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。電壓越高意味著容量越大，現在可以 通過增加化學添加劑實現4.20V電池電壓。當前的鋰離子電池一般充電到4.20V，容差為±0.05V/節。

 

當端電壓達到電壓閾值並且充電電流降至0.03C (約Icharge的3%，參考圖6)時表明電池已充滿。多數充電器達到滿充的時間約為 3小時。儘管某些線 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，主要用於蜂窩電話，無線設備和筆記本電腦。

 

較高的充電電流並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致爆炸並造成人員傷害，所以使用這類電池時，安全是主要關心的問題。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的典型應用電路

 

DS2720 IC使用外部開 關元件，如低成本n 溝道功率MOSFET， 來控制充電和放電電流。內部9V的電 荷泵為外部n溝道MOSFET提供高端驅動，與常見使用相同FET的低端保護電路相比具有更低的導通電阻。FET導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電阻小於傳統低端模式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穩壓的高端n-FET驅動，即便在放電快結束時，都能保證低開關阻值。這將延長便攜設備運行時間。

·         監控電池過壓/欠壓，過流和過熱

·         穩壓電荷泵支援高端模式n型溝道MOSFET

·         集成電池選擇功能

·         8位元組可鎖定用戶EEPROM

·         64位元唯一電子序列號

·         低功耗：工作15µA，靜態1µA

·         提供8引腳MSPO微型封裝

·         1-Wire®資料通訊介面

DS2720允許用戶通過資料介面或專用輸入控制外部FET，減少了可充電Li+電池系統中額外的功率開關控制。DS2720通過其1-Wire接 口提供主機系統對狀態和控制寄存器、測量寄存器，以及通用資料記憶體的讀寫訪問。每個器件都有一個工廠編程的64位元唯一位址，允許主機系統單獨定址每個器 件(圖9)。

 

圖9. 受DS2720保護的鋰離子電池波形

 

DS2720為電池資訊存儲提供兩類記憶體，及EEPROM和可鎖定EEPROM。EEPROM是真正的非 易失(NV)記憶體，用來保存重要的電池資料，不會因電池過度放電、偶然短路或ESD事 件丟失資料。可鎖定EEPROM在鎖定後相當於唯讀記憶體(ROM)，用於更安全地保存不再改變的電池資料。

 

保護模式

過壓

如果在VDD檢測的電池電壓超過過壓閾值VOV時間大於過壓延遲時間tOVD，則 DS2720關 閉充電FET，並將保護寄存器的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，當電池電壓降到充電使能閾值VCE以 下或由於放電導致VDD - VPLS > VOC時，充電FET被重新使 能。

 

欠壓

如果在VDD檢測的電池電壓低於欠壓閾值VUV時間大於欠壓延遲時間tUVD，則 DS2720關閉充電和放電FET，並將保護寄存器的UV置位，使其進入休眠模式。當電池電壓升到VUV以上和連接充電器後，IC 打開充電和放電FET。

 

短路

如果在VDD檢測的電池電壓低於放電閾值VSC時間達到延遲時間tSCD，則 DS2720關閉充電和放電FET，並將保護寄存器的DOC置位。除非PLS上的電壓升至大於VDD - VOC， 否則充電和放電FET不會導通。DS2720提供流經內部VDD至PLS電阻RTST的測試電流，當VDD升 至大於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RTST， 由PLS到VDD的恢復性充電通路。

 

過流

若加在保護FET的電壓(VDD - VPLS)大於VOC的時間超過了tOCD， 則DS2720關 斷外部充電和放電FET，並將保護寄存器DOC置位。直到PLS上的電壓升至大於VDD - VOC時 電路才會導通。DS2720提供流經內部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，則立即關斷外部充電和放電FET。在以下兩個條件滿足前FET不會導通：電池溫度降到低於TMAX， 主機將OT重定。

 

充電溫度

應儘量在室溫下充電。鎳基電池應在10°C至30°C (50°F至86°F)之間快速充電。低於5°C (41°F)和高於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範圍內呈現良好的充電性能，但低於5°C (41°F)時充電速率應小於1°C。

 

結論

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。快速充電可增強鎳基電池的壽命和性能，這是因為快速 充電降低了內部結晶引起的記憶效應。鎳基和鋰基電池要求不同的充電演算法。Li+電池需要保護電路來監控和保護過流、短路、過壓、欠壓以及過熱。注意，在電 池不常使用時，應從充電器中取出，在使用前對電池浮充。