摘要:本文概要介绍了电池充电方式和现代电池威廉希尔官方网站
,以使读者能更好的了解便携设备中使用的电池。本文对镍镉(NiCd)电池,镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li+)电池的化学性质进行了描述,还介绍了一款单节锂离子和锂聚合物电池保护芯片。
一次电池,又叫不可充电电池或原电池,从电池单向化学反应中产生电能。原电池放电导致电池化学成分永久和不可逆的改变。但可充电电池,又叫二次电池,可在应用中放电,也可由充电器充电。所以,二次电池储存能量,而不是产生能量。
充电和放电电流(安培)通常用电池额定容量的倍数表示,叫做充电速率(C-rate)。例如,对于额定为1安时(Ah)的电池,C/10的放电电流等于1Ah/10 = 100mA。电池的额定容量(Ah或mAh)是电池在特定的条件下完全放电所能储存(产生)的电能。因此,电池的总能量等于容量乘以电池电压,单位为瓦时。
没有电池能永久储存能量。电池不可避免要进行化学反应并缓慢退化,导致储存电量减少。电池容量与重量(或体积)之比称为电池的能量密度。高能量密度意味着在给定体积和重量的电池中可存储更多能量。
下表给出了个人电脑和蜂窝电话中可充电电池的主要化学成分,以及其额定电压和能量密度(以瓦时每千克,或Wh/Kg表示)。
表1. 常用可充电电池化学成分的能量密度
表2. 常用可充电电池化学成分的特性
若一次和二次电池都能达到同样目的,为什么不总是选择二次电池呢?原因是二次电池有以下缺点:
每次充电要根据电池化学成分按顺序施加电压和电流。因此,充电器和充电算法需满足不同电池化学成分的不同要求。电池充电常用术语包括:用于NiCd和NiMH电池的恒流(CC),和用于锂离子和锂聚合物电池的恒流/恒压(CC/CV) (图1至6)。
图1. 半恒流充电,主要应用于剃须刀,数字无绳电话和玩具
图2. 定时器控制充电,主要应用于笔记本,数据终端,无线设备和蜂窝电话
图3. -DV终止充电方式,主要应用于笔记本,数据终端,摄录像机,无线设备和蜂窝电话
图4. -dT/dt终止充电方式,应用于电源设备和电动工具
图5. 涓流充电,主要应用于应急灯,导引灯和存储器备份
表3. 充电方式
表4. 不同化学成分电池充满的判据
如上所示,电池化学成分和充电威廉希尔官方网站 不同,充电终止的判定条件也不同。
通过检测温升速率(dT/dt)可以实现更精确的满充检测,这种满充检测比固定温度终止对电池更好。基于ΔT/dt和-ΔV组合的充电终止方法可避免电池过充,延长电池寿命。
快速充电可改善充电效率。在1C的充电速率下,效率可以接近1.1 (91%),充满一个空电池的时间为1小时多一点。当以0.1C充电时,效率便下降到1.4 (71%),充电时间为14小时左右。
因为NiCd电池对电能接收程度接近100%,所以几乎所有的能量在充电开始的70%期间被吸收,而且电池保持不发热。超快速充电器利用该特点,在几分钟内将电池充到70%,以几C的电流充电而无热量产生。充到70%后,电池再以较低速率继续充电,直到电池充满。最后以0.02C至0.1C的涓流结束充电。
新的NiMH电池会在充电周期内过早地出现错误峰值,这会导致充电器过早结束充电。此外,单用-ΔV检测结束充电几乎肯定会出现过充,导致在电池失效前限制充放电次数。
似乎没有在所有条件下(新或旧,热或冷,全部或部分放电)都适用的NiMH电池的-dV/dt充电算法。因此,除非NiCd充电器使用了dT/dt方法终止充电,否则不能用NiCd充电器为NiMH电池充电。而且,因为NiMH电池不能很好的吸收过充,所以,涓流充电电流比NiCd电池小(约0.05C)。
NiMH电池的慢充比较困难。因为以0.1C至0.3C的速率充电时,电压和温度的变化不能准确指示电池已充满。因此,慢速充电器必须依靠定时器来决定何时结束充电。以此,为保证NiMH电池充满,应以接近1C的速率(或电池制造商指定速率)快速充电,同时监控电压(ΔV = 0)和温度(dT/dt)来确定何时结束充电。
当端电压达到电压阈值并且充电电流降至0.03C (约Icharge的3%,参考图6)时表明电池已充满。多数充电器达到满充的时间约为3小时。尽管某些线性充电器声称Li+电池充电只需约一小时,但这类充电器通常在电池端电压达到4.2V时就终止充电,这种方法只能将电池充到其容量的70%。
图6. 恒流、恒压充电,主要用于蜂窝电话,无线设备和笔记本电脑。
较高的充电电流并不会使充电时间缩短太多。较高的充电电流能较快达到电压峰值,但是浮充需要较长时间。通常,浮充时间是初始充电时间的两倍。
图7. DS2720锂电池保护IC的典型应用电路
DS2720 IC使用外部开关元件,如低成本n沟道功率MOSFET,来控制充电和放电电流。内部9V的电荷泵为外部n沟道MOSFET提供高端驱动,与常见使用相同FET的低端保护电路相比具有更低的导通电阻。FET导通电阻实际上随电池放电而减少(见图8)。
图8. 受DS2720高端模式控制的保护FET电阻小于传统低端模式FET电阻。受DS2720控制的FET电阻实际上随电池电压下降而降低。
DS2720稳压的高端n-FET驱动,即便在放电快结束时,都能保证低开关阻值。这将延长便携设备运行时间。
图9. 受DS2720保护的锂离子电池波形
DS2720为电池信息存储提供两类存储器,及EEPROM和可锁定EEPROM。EEPROM是真正的非易失(NV)存储器,用来保存重要的电池数据,不会因电池过度放电、偶然短路或ESD事件丢失数据。可锁定EEPROM在锁定后相当于只读存储器(ROM),用于更安全地保存不再改变的电池数据。
如果在VDD检测的电池电压超过过压阈值VOV时间大于过压延迟时间tOVD,则DS2720关闭充电FET,并将保护寄存器的OV置位。在过压期间,放电通路保持开放。除非被另外保护条件锁定,当电池电压降到充电使能阈值VCE以下或由于放电导致VDD - VPLS > VOC时,充电FET被重新使能。
欠压
如果在VDD检测的电池电压低于欠压阈值VUV时间大于欠压延迟时间tUVD,则DS2720关闭充电和放电FET,并将保护寄存器的UV置位,使其进入休眠模式。当电池电压升到VUV以上和连接充电器后,IC打开充电和放电FET。
短路
如果在VDD检测的电池电压低于放电阈值VSC时间达到延迟时间tSCD,则DS2720关闭充电和放电FET,并将保护寄存器的DOC置位。除非PLS上的电压升至大于VDD - VOC,否则充电和放电FET不会导通。DS2720提供流经内部VDD至PLS电阻RTST的测试电流,当VDD升至大于VSC时上拉PLS。DS2720利用此测试电流检测有害低阻抗负载的移除。另外,测试电流还提供了流经RTST,由PLS到VDD的恢复性充电通路。
过流
若加在保护FET的电压(VDD - VPLS)大于VOC的时间超过了tOCD,则DS2720关断外部充电和放电FET,并将保护寄存器DOC置位。直到PLS上的电压升至大于VDD - VOC时电路才会导通。DS2720提供流经内部VDD至PLS电阻RTST的测试电流来检测有害低阻抗负载的移除。
过热
若DS2720温度超过TMAX,则立即关断外部充电和放电FET。在以下两个条件满足前FET不会导通:电池温度降到低于TMAX,主机将OT复位。
充电温度
应尽量在室温下充电。镍基电池应在10°C至30°C (50°F至86°F)之间快速充电。低于5°C (41°F)和高于45°C (113°F)时镍基电池的充电能力急剧下降。锂离子电池在整个温度范围内呈现良好的充电性能,但低于5°C (41°F)时充电速率应小于1°C。
概述
电池的应用从来没有像现在这么广泛。电池正在变得更小、更轻,在单位体积内容纳更多能量。电池发展的主要动力来自便携设备(例如移动电话,膝上电脑,摄录像机和MP3播放器)的快速发展。这篇关于充电方式和现代电池威廉希尔官方网站 的应用笔记将帮助您更好了解这些便携设备中使用的电池。电池的定义
如果电池仅定义为能量储存系统,则其有可能包括飞轮和时钟发条等元件。在现代威廉希尔官方网站 中电池的更精确定义为:能够产生电能的便携、独立化学系统。一次电池,又叫不可充电电池或原电池,从电池单向化学反应中产生电能。原电池放电导致电池化学成分永久和不可逆的改变。但可充电电池,又叫二次电池,可在应用中放电,也可由充电器充电。所以,二次电池储存能量,而不是产生能量。
充电和放电电流(安培)通常用电池额定容量的倍数表示,叫做充电速率(C-rate)。例如,对于额定为1安时(Ah)的电池,C/10的放电电流等于1Ah/10 = 100mA。电池的额定容量(Ah或mAh)是电池在特定的条件下完全放电所能储存(产生)的电能。因此,电池的总能量等于容量乘以电池电压,单位为瓦时。
电池性能的测试
电池的化学成分和设计共同限制了输出电流。若没有实际因素限制性能,电池瞬时可以输出无穷大电流。限制电池输出电流的主要因素是基本化学反应速率、电池设计,以及进行化学反应的区域。某些电池本身具有产生大电流的能力。如镍镉电池短路电流可大到足以融化金属和引起火灾。其它一些电池只能产生弱电流。电池中所有化学和机械总效应可用一个数学因数表示,即等效内阻。降低内阻可获得更大电流。没有电池能永久储存能量。电池不可避免要进行化学反应并缓慢退化,导致储存电量减少。电池容量与重量(或体积)之比称为电池的能量密度。高能量密度意味着在给定体积和重量的电池中可存储更多能量。
下表给出了个人电脑和蜂窝电话中可充电电池的主要化学成分,以及其额定电压和能量密度(以瓦时每千克,或Wh/Kg表示)。
表1. 常用可充电电池化学成分的能量密度
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. 常用可充电电池化学成分的特性
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 |
若一次和二次电池都能达到同样目的,为什么不总是选择二次电池呢?原因是二次电池有以下缺点:
- 实际中,所有二次电池能量都会因自放电较快的损失
- 二次电池使用前必需充电
电池充电
一个新的可充电电池或电池组(一个电池组中有几个电池)不能保证已充满电。事实上它们很可能已被完全放电。因此,首先要根据制造商提供的、与化学成分相关的指南,对电池/电池组充电。每次充电要根据电池化学成分按顺序施加电压和电流。因此,充电器和充电算法需满足不同电池化学成分的不同要求。电池充电常用术语包括:用于NiCd和NiMH电池的恒流(CC),和用于锂离子和锂聚合物电池的恒流/恒压(CC/CV) (图1至6)。
图1. 半恒流充电,主要应用于剃须刀,数字无绳电话和玩具
图2. 定时器控制充电,主要应用于笔记本,数据终端,无线设备和蜂窝电话
图3. -DV终止充电方式,主要应用于笔记本,数据终端,摄录像机,无线设备和蜂窝电话
图4. -dT/dt终止充电方式,应用于电源设备和电动工具
图5. 涓流充电,主要应用于应急灯,导引灯和存储器备份
表3. 充电方式
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. 不同化学成分电池充满的判据
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,电池化学成分和充电威廉希尔官方网站 不同,充电终止的判定条件也不同。
镍镉电池充电
在0.05C至大于1C的范围内对NiCd电池恒流充电。一些低成本充电器使用绝对温度终止充电。虽然简单、成本低,但这种充电终止方法不精确。更好的方法是通过检测电池充满时的电压跌落终止充电。对于充电速率为0.5C或更高的NiCd电池,-ΔV方法是最有效的。-ΔV充电终止检测应与电池温度检测相结合,因为老化电池和不匹配电池可能减少ΔV。通过检测温升速率(dT/dt)可以实现更精确的满充检测,这种满充检测比固定温度终止对电池更好。基于ΔT/dt和-ΔV组合的充电终止方法可避免电池过充,延长电池寿命。
快速充电可改善充电效率。在1C的充电速率下,效率可以接近1.1 (91%),充满一个空电池的时间为1小时多一点。当以0.1C充电时,效率便下降到1.4 (71%),充电时间为14小时左右。
因为NiCd电池对电能接收程度接近100%,所以几乎所有的能量在充电开始的70%期间被吸收,而且电池保持不发热。超快速充电器利用该特点,在几分钟内将电池充到70%,以几C的电流充电而无热量产生。充到70%后,电池再以较低速率继续充电,直到电池充满。最后以0.02C至0.1C的涓流结束充电。
镍氢电池充电
尽管NiMH充电器与NiCd充电器类似,但是,NiMH充电器采用ΔT/dt方法终止充电,这是到目前NiMH电池充电的最好办法。NiMH电池充电结束时电压下降比较小,而对低充电速率(低于0.5C,这取于温度)可能不出现电压下降。新的NiMH电池会在充电周期内过早地出现错误峰值,这会导致充电器过早结束充电。此外,单用-ΔV检测结束充电几乎肯定会出现过充,导致在电池失效前限制充放电次数。
似乎没有在所有条件下(新或旧,热或冷,全部或部分放电)都适用的NiMH电池的-dV/dt充电算法。因此,除非NiCd充电器使用了dT/dt方法终止充电,否则不能用NiCd充电器为NiMH电池充电。而且,因为NiMH电池不能很好的吸收过充,所以,涓流充电电流比NiCd电池小(约0.05C)。
NiMH电池的慢充比较困难。因为以0.1C至0.3C的速率充电时,电压和温度的变化不能准确指示电池已充满。因此,慢速充电器必须依靠定时器来决定何时结束充电。以此,为保证NiMH电池充满,应以接近1C的速率(或电池制造商指定速率)快速充电,同时监控电压(ΔV = 0)和温度(dT/dt)来确定何时结束充电。
锂离子和锂聚合物电池充电
镍基电池充电器限制电流,而锂离子电池充电器则需同时限制电压和电流。最初的锂离子电池充电电压限制在4.10V/节。电压越高意味着容量越大,现在可以通过增加化学添加剂实现4.20V电池电压。当前的锂离子电池一般充电到4.20V,容差为±0.05V/节。当端电压达到电压阈值并且充电电流降至0.03C (约Icharge的3%,参考图6)时表明电池已充满。多数充电器达到满充的时间约为3小时。尽管某些线性充电器声称Li+电池充电只需约一小时,但这类充电器通常在电池端电压达到4.2V时就终止充电,这种方法只能将电池充到其容量的70%。
图6. 恒流、恒压充电,主要用于蜂窝电话,无线设备和笔记本电脑。
较高的充电电流并不会使充电时间缩短太多。较高的充电电流能较快达到电压峰值,但是浮充需要较长时间。通常,浮充时间是初始充电时间的两倍。
锂离子电池保护
因为Li+电池过充或过放可能会导致爆炸并造成人员伤害,所以使用这类电池时,安全是主要关心的问题。因此,商用锂离子电池组通常包括象DS2720这样的保护电路(图7)。DS2720提供了可充电Li+电池所需的所有保护功能,如:在充电时保护电池、防止电路过流、通过限制电池的放电电压延长电池寿命。图7. DS2720锂电池保护IC的典型应用电路
DS2720 IC使用外部开关元件,如低成本n沟道功率MOSFET,来控制充电和放电电流。内部9V的电荷泵为外部n沟道MOSFET提供高端驱动,与常见使用相同FET的低端保护电路相比具有更低的导通电阻。FET导通电阻实际上随电池放电而减少(见图8)。
图8. 受DS2720高端模式控制的保护FET电阻小于传统低端模式FET电阻。受DS2720控制的FET电阻实际上随电池电压下降而降低。
DS2720稳压的高端n-FET驱动,即便在放电快结束时,都能保证低开关阻值。这将延长便携设备运行时间。
- 监控电池过压/欠压,过流和过热
- 稳压电荷泵支持高端模式n型沟道MOSFET
- 集成电池选择功能
- 8字节可锁定用户EEPROM
- 64位唯一电子序列号
- 低功耗:工作15µA,静态1µA
- 提供8引脚MSPO微型封装
- 1-Wire®数据通讯接口
图9. 受DS2720保护的锂离子电池波形
DS2720为电池信息存储提供两类存储器,及EEPROM和可锁定EEPROM。EEPROM是真正的非易失(NV)存储器,用来保存重要的电池数据,不会因电池过度放电、偶然短路或ESD事件丢失数据。可锁定EEPROM在锁定后相当于只读存储器(ROM),用于更安全地保存不再改变的电池数据。
保护模式
过压如果在VDD检测的电池电压超过过压阈值VOV时间大于过压延迟时间tOVD,则DS2720关闭充电FET,并将保护寄存器的OV置位。在过压期间,放电通路保持开放。除非被另外保护条件锁定,当电池电压降到充电使能阈值VCE以下或由于放电导致VDD - VPLS > VOC时,充电FET被重新使能。
欠压
如果在VDD检测的电池电压低于欠压阈值VUV时间大于欠压延迟时间tUVD,则DS2720关闭充电和放电FET,并将保护寄存器的UV置位,使其进入休眠模式。当电池电压升到VUV以上和连接充电器后,IC打开充电和放电FET。
短路
如果在VDD检测的电池电压低于放电阈值VSC时间达到延迟时间tSCD,则DS2720关闭充电和放电FET,并将保护寄存器的DOC置位。除非PLS上的电压升至大于VDD - VOC,否则充电和放电FET不会导通。DS2720提供流经内部VDD至PLS电阻RTST的测试电流,当VDD升至大于VSC时上拉PLS。DS2720利用此测试电流检测有害低阻抗负载的移除。另外,测试电流还提供了流经RTST,由PLS到VDD的恢复性充电通路。
过流
若加在保护FET的电压(VDD - VPLS)大于VOC的时间超过了tOCD,则DS2720关断外部充电和放电FET,并将保护寄存器DOC置位。直到PLS上的电压升至大于VDD - VOC时电路才会导通。DS2720提供流经内部VDD至PLS电阻RTST的测试电流来检测有害低阻抗负载的移除。
过热
若DS2720温度超过TMAX,则立即关断外部充电和放电FET。在以下两个条件满足前FET不会导通:电池温度降到低于TMAX,主机将OT复位。
充电温度
应尽量在室温下充电。镍基电池应在10°C至30°C (50°F至86°F)之间快速充电。低于5°C (41°F)和高于45°C (113°F)时镍基电池的充电能力急剧下降。锂离子电池在整个温度范围内呈现良好的充电性能,但低于5°C (41°F)时充电速率应小于1°C。
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