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充電電池
閱讀�8416�(shí)間:2010-10-28 15:06:27

  充電電池已經(jīng)成為�(dāng)今電子產(chǎn)品的一種標(biāo)�(zhǔn)電源,特別是便攜�(shè)備:筆記�電腦、掌上導(dǎo)航儀、手�(jī)�。這些�(chǎn)品需要消耗的功率越來(lái)越大,而可充電電池容量的增�(zhǎng)速度�(yuǎn)�(yuǎn)不能滿足它們的需�。功耗增�(zhǎng)的主要原因是�(shè)備功能的增強(qiáng),例如:�(shù)碼相�(jī)與手�(jī)的功能整�,筆記本電腦更高的運(yùn)算速度以及大尺寸屏幕的需求等�。便攜設(shè)備功耗的增大使得用可充電電池要比�(biāo)�(zhǔn)電池更便宜、更�(huán)��

�(quán)衡與電源管理

  便攜式電子設(shè)備設(shè)�(jì)人員可以選擇各種各樣的化�(xué)技�(shù)、充電器�?fù)湟约俺潆姽芾斫鉀Q方案。選擇一款最為合適的解決方案�(yīng)該是一�(xiàng)很簡(jiǎn)單的工作,但是在大多�(shù)情況下這一�(guò)程頗為復(fù)�。設(shè)�(jì)人員需要在性能、成本、外形尺寸以及其他關(guān)鍵要求方面找到一�(gè)平衡�(diǎn)�

  本文將為廣大�(shè)�(jì)人員和系�(tǒng)工程師提供一些指�(dǎo)和幫助以使得該選擇工作變得更為輕��

  �3“C”開(kāi)始實(shí)�(xiàn)充電控制

  所有使用可充電電池的系�(tǒng)�(shè)�(jì)人員都需要清楚一些基�(chǔ)�(shè)�(jì)技�(shù),以確保滿足下面三�(gè)�(guān)鍵的要求�

  1、電池安全性:毋庸置疑,終端用戶安全是所有系�(tǒng)�(shè)�(jì)中先考慮的問(wèn)�。大多數(shù)鋰離�(Li-Ion)電池組和鋰聚合物(Li-Pol)電池組都含有保護(hù)電子電路。然�,還有一些系�(tǒng)�(shè)�(jì)需要考慮的關(guān)鍵因�。其中包括但不局限于確保在鋰離子電池充電階段期間1[%]的穩(wěn)壓容�、安全處理深度放電電池的�(yù)處理模式、安全計(jì)�(shí)器以及電池溫度監(jiān)��

  2、電池容量:所有的電池充電解決方案都要確保在每一次和每一�(gè)充電周期都能將電池容量充至充滿狀�(tài)。過(guò)早的終止充電�(huì)�(dǎo)致電池運(yùn)行時(shí)間縮�,這是�(dāng)今高功耗的便攜式設(shè)備所不希望的�

  3、電池使用壽命:遵循建議的充電算法是確保終端用戶�(shí)�(xiàn)每�(gè)電池組最多充電周期的重要一�。利用電池溫度和電壓限定每一次充�、預(yù)處理深度放電電池并避免過(guò)晚或非正常充電終止是化電池使用壽命所必須的一些步��

  �1:充電控制總�(jié)�

充電控制總結(jié)

  電池化學(xué)技�(shù)的選�

  �(xiàn)在系�(tǒng)�(shè)�(jì)人員可以在多種電池化�(xué)技�(shù)中�(jìn)行選�。設(shè)�(jì)人員通常�(huì)根據(jù)下面的一些標(biāo)�(zhǔn)�(jìn)行電池化�(xué)技�(shù)的選�,其中包括:

  · 能量密度

  · �(guī)格和外形尺寸

  · 成本

  · 使用模式和使用壽�

  近年�(lái),盡管使用鋰離子電池和鋰聚合物電池的趨勢(shì)增強(qiáng),但是Ni電池化學(xué)技�(shù)仍然是諸多消�(fèi)�(lèi)�(yīng)用一�(gè)不錯(cuò)的選�(xiàng)�

  �(wú)論選擇何種電池化�(xué)技�(shù),遵循每一種電池化�(xué)技�(shù)的正確充電管理技�(shù)都是至關(guān)重要�。這些技�(shù)將確保電池在每一次和每�(gè)充電周期都能被充至容�,而不�(huì)降低安全性或縮短電池使用壽命�

  NiCd/NIMH

  在一�(gè)充電周期�(kāi)始之�,并且盡可能在開(kāi)始快速充電之前對(duì)鎳鎘(NiCd)電池和鎳�(NiMH)電池必須要�(jìn)行檢�(yàn)和調(diào)節(jié)。如果電池電壓或溫度超出了允許的極限是不允許�(jìn)行快速充電的。出于安全考慮,對(duì)所有“熱”電池(一般高�45℃)的充電工作都�(huì)暫時(shí)終止,直到電池冷卻到正常工作溫度范圍�(nèi)才會(huì)再次�(yùn)�(zhuǎn)。要想處理一�(gè)“冷”電池(一般低�10℃)或過(guò)度放電的電池(每節(jié)電池通常低于1V�,需要施加一�(gè)溫和的點(diǎn)滴式電流�

  �(dāng)電池溫度和電壓正確時(shí)快速充電開(kāi)�。通常�1℃或更低的恒定電流對(duì)NiMH電池�(jìn)行充電。一些NiCd電池可以用高�(dá)4C的速率�(jìn)行充�。采用適�(dāng)?shù)某潆娊K止來(lái)避免有害的過(guò)充電�

  就鎳基可充電電池而言,快速充電終止基于電壓或溫度。如�1所�,典型的電壓終止方法是峰值電壓探�(cè),在峰值時(shí)即每�(gè)電池的電壓在0�-4mV范圍�(nèi),快速充電被終止。基于溫度的快速充電終止方法是觀察電池溫度上升率T/t�(lái)探測(cè)完全充電。典型的T/t率為1�/每分鐘�

鎳電池化學(xué)技術(shù)的充電曲線

  �1:鎳電池化學(xué)技�(shù)的充電曲��

  鋰離�/鋰聚合物電池

  與NiCd電池和NiMH電池相類(lèi)�,在快速充電之前盡可能檢驗(yàn)并調(diào)節(jié)鋰離子電�。驗(yàn)證和處理方法與上述使用的方法相類(lèi)��

  如圖2所�,驗(yàn)證和�(yù)處理之后,先用一�(gè)1C或更低的電流�(duì)鋰離子電池�(jìn)行充�,直到電池達(dá)到其充電電壓極限為止。該充電階段通常�(huì)�(bǔ)充高�(dá)70[%]的電池容�。然后用一�(gè)通常�4.2V的恒定電壓對(duì)電池�(jìn)行充電。為將安全性和電池容量,必須要將充電壓�(wěn)定在至少1[%]。在此充電期間,電池汲取的充電電流逐漸下降。就1C充電率而言,一旦電流電平下降到初始充電電流�10-15[%]以下充電通常就會(huì)終止�

鋰離子電池化學(xué)技術(shù)充電曲線

  �2:鋰離子電池化學(xué)技�(shù)充電曲線�

  �(kāi)�(guān)模式與線性充電拓?fù)涞膶?duì)�

  傳統(tǒng)上來(lái)�(shuō),手持設(shè)備都使用線性充電拓?fù)?。該方法具有諸多�(yōu)�(shì):低�(shí)施成�、設(shè)�(jì)�(jiǎn)捷以及無(wú)高頻�(kāi)�(guān)的無(wú)噪聲�(yùn)行。但�,線性拓?fù)�?huì)增加系統(tǒng)功耗,尤其是當(dāng)電池容量更高引起的充電率增加的時(shí)�。如果設(shè)�(jì)人員�(wú)法管理設(shè)�(jì)的散熱問(wèn)�,這就�(huì)成為一�(gè)主要缺點(diǎn)�

  �(dāng)PC USB端口作為電源�(shí),則�(huì)出現(xiàn)其他一些缺�(diǎn)。當(dāng)今在許多便攜式設(shè)�(jì)上都具有USB充電選項(xiàng),并且都可提供高�(dá)500mA的充電率。就線性解決方案而言,由于其效率較低,可以從PC USB傳輸?shù)摹半娔堋绷烤捅淮蟠蠼�?,從�?dǎo)致了充電�(shí)間過(guò)�(zhǎng)�

  這就是開(kāi)�(guān)模式�?fù)溆杏梦渲氐脑?。開(kāi)�(guān)模式�?fù)涞闹饕獌?yōu)�(shì)在于效率的提�。與線性穩(wěn)壓器不同,電源開(kāi)�(guān)(或多�(gè)�(kāi)�(guān))在飽和的區(qū)域內(nèi)�(yùn)�,其大大降低了總體損�。降壓轉(zhuǎn)換器*率損耗的主要包括�(kāi)�(guān)損耗(在電源開(kāi)�(guān)中)以及濾波電感中的DC損耗。根�(jù)�(shè)�(jì)參數(shù)的不�,在這些�(yīng)用中出現(xiàn)效率大大高于95[%]的情況就不足為奇了�

  �(dāng)人們聽(tīng)到開(kāi)�(guān)模式這�(gè)�(shù)�(yǔ)�(shí)大多�(shù)人都�(huì)想到大型IC、大PowerFET以及超大型電感!事實(shí)�,雖然對(duì)于處理數(shù)十安培電流的�(yīng)用而言確實(shí)是這樣,但是對(duì)于手持設(shè)備的新一代解決方案而言情況就不一樣了。新一代單體鋰離子�(kāi)�(guān)模式充電器采用了別的芯片集成,高�1MHz的使用頻率以最小化電感尺寸。圖1�(shuō)明了�(dāng)今市�(chǎng)上已�(kāi)始銷(xiāo)售的此類(lèi)解決方案。該硅芯片的尺寸不到4mm2,其集成了高�(cè)和低�(cè)PowerFET。由于采用了3MHz�(kāi)�(guān)頻率,該解決方案要求一�(gè)小型1uH電感,其外形尺寸僅為�2mmx2.5mmx1.2mm(WxLxH)�

  充電器的選擇

  電池充電器工具使得設(shè)�(jì)人員選擇正確的充電器的過(guò)程更輕松�

和單�(jī)快速充電器介紹

  充電電池已經(jīng)成為�(dāng)今電子產(chǎn)品的一種標(biāo)�(zhǔn)電源,特別是便攜�(shè)備:筆記本電�、掌上導(dǎo)航儀、手�(jī)等。這些�(chǎn)品需要消耗的功率越來(lái)越大,而可充電電池容量的增�(zhǎng)速度�(yuǎn)�(yuǎn)不能滿足它們的需�。功耗增�(zhǎng)的主要原因是�(shè)備功能的增強(qiáng),例如:�(shù)碼相�(jī)與手�(jī)的功能整�,筆記本電腦更高的運(yùn)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�(biāo)�(zhǔn)電池更便�、更�(huán)��

  本文介紹了可充電電池的化�(xué)成分;同�(shí)�(shuō)明了各種充電電池的典型特征和選擇電池�(lèi)型時(shí)需要重�(diǎn)注意的事�(xiàng)。另外還討論了在不使用微控制器或使用電源浪涌保護(hù)的主適配器的情況下如何構(gòu)建單�(jī)�(jié)�(gòu),安�、快速地�(duì)鎳氫和鋰離子充電電池�(jìn)行充電�

  可充電電池類(lèi)�

  20世紀(jì)80年代的便攜設(shè)�,如�(shù)字無(wú)繩電�、隨身聽(tīng)和電�(dòng)剃須刀�,主要由鎳鎘(NiCd)電池供電。到�90年代后期,鎳�(NiMH)電池和鋰離子(Li-Ion)電池逐漸�(jìn)入市�(chǎng)并開(kāi)始流� �?yàn)閮r(jià)格比鎳氫和鋰離子電池便宜,鎳鎘電池在低端�(yīng)用中十分普遍。鎳鎘電池可提供的放電電流,適合短時(shí)間內(nèi)需要大功率輸出的應(yīng)��

  另一方面,鎳鎘電池曾�(jīng)被所謂的記憶效應(yīng)困擾(�(xiàn)在的鎳鎘電池很少考慮這�(gè)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�(zhì)�(huì)累積并且�(kāi)始結(jié)�(在陽(yáng)極有100微米的鎘累積�),通過(guò)化學(xué)反應(yīng)這層物質(zhì)�(huì)自行消失(一塊全新電池的�(yáng)極大約有1微米厚度的鎘�(jié)�)�

  出現(xiàn)記憶效應(yīng)�(huì)�(dǎo)致電池容量越�(lái)越小,端電壓越來(lái)越低,使得電池到�(dá)可用端電�(�(guān)斷點(diǎn))的時(shí)間比�(yù)期的早許多,如圖1所�。鎳鎘電池的另一�(gè)缺點(diǎn)是它的活性物�(zhì)中含有有毒的�。所�,歐洲法�(guī)2000/53/EG�2005�12�31�(hào)后禁止銷(xiāo)售鎳鎘充電電��

  鎳氫電池比鎳鎘電池更�(huán)�,但是價(jià)格更�。鎳氫電池的放電電流略小,但受惰性效�(yīng)的影響。惰性效�(yīng)是比鎳鎘電池記憶效應(yīng)稍輕的一種現(xiàn)�。惰性效�(yīng)是由于鎳的結(jié)晶導(dǎo)致的。惰性效�(yīng)和記憶效�(yīng)一樣,�(dǎo)致無(wú)法完全使用可充電電池的全部容�,但都可以通過(guò)使用帶有放電功能的充電器�(lái)避免�

  �1. 鎳鎘電池的記憶效�(yīng)與鎳氫電池的惰性效�(yīng)之間的比� 鋰電子可充電電池�(jià)�,但具有足夠高的能量密度,因而可以在給定尺寸下提供更�(yōu)性能,更適合小尺�、高集成度的便攜�(shè)備�

  �1給出了各種類(lèi)型電池的主要特��

各種類(lèi)型電池的主要特性

  單機(jī)鎳氫電池快速充電器

  雖然很多人更偏愛(ài)鋰離子電�,鎳氫電池的使用依然很流�。因?yàn)殒嚉潆姵乇蠕囯x子電池便宜很�,所以在MP3播放�、閃光燈配件、車(chē)燈等�(shè)備中�(jīng)常能看到�(biāo)�(zhǔn)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(kāi)始下�(�2)。所�,鎳氫電池充電器的主要任�(wù)是檢�(cè)到這�(gè)突變�(diǎn)并中斷充�,或者從快速充電切換到涓流充電。另�,在充電�(guò)程中�(duì)溫度和電壓�(jìn)行連續(xù)�(jiān)控可以提供系�(tǒng)的安全��

NiMH充電電池充電過(guò)程中典型的電壓(頂部)和溫度(底部)隨時(shí)間的變化

  �2. 這些曲線顯示了NiMH充電電池充電�(guò)程中典型的電�(頂部)和溫�(底部)隨時(shí)間的變化

  DS2711/DS2712充電器具備上述功能。另�,它們可以單�(jī)工作,不需要微控制器或微處理器�(jiān)�。該系列�(chǎn)品是專門(mén)為單節(jié)AA或AAA可充電電池設(shè)�(jì)�,同�(shí)也適用于串聯(lián)或并�(lián)的兩節(jié)電池。DS2711采用線性控制結(jié)�(gòu),DS2712采用�(kāi)�(guān)控制�(jié)�(gòu)。為了限度地延長(zhǎng)工作�(shí)�、節(jié)約電池能量,這些充電器有4種充電模式:�(yù)充電、快速充電、浮充和涓流充電。在浮充模式�,電池充滿后充電速率被切換到一�(gè)比較低的速率(�(duì)于DS2711而言�25[%])�

  除監(jiān)控功能外,DS2711/DS2712充電器還帶有�(nèi)部計(jì)�(shí)器,通過(guò)連接到TMR引腳的外部電阻設(shè)定充電時(shí)�,可將快速充電時(shí)間設(shè)置在0.5�10小時(shí)。浮充時(shí)間已�(jīng)�(shè)定為充電�(shí)間的一�(0.25�5小時(shí))。根�(jù)所要求的充電時(shí)�(TAPPROX),由下式�(jì)算電阻值:

  R = 1000TAPPROX / 1.5(Eq. 1)

  快速充電模式下,如果超�(guò)充電�(shí)�,充電器�(huì)從快速充電模式切換到浮充模式,同�(shí)�(fù)位計(jì)�(shí)�。計(jì)�(shí)器開(kāi)始為浮充�(guò)程計(jì)�(shí),如果達(dá)到預(yù)定的浮充�(shí)間,充電器將從浮充模式切換到涓流模式(�3)�

該典型應(yīng)用電路中充電電路

  �3. 該典型應(yīng)用電路中,DS2711電池充電�

  �2�(gè)串聯(lián)� 鎳氫充電電池充電 VP1、VP2用于�(jiān)視電�,THM1、THM2配合熱敏電阻用來(lái)�(jiān)�(cè)電池的溫�。TMR (�(jì)�(shí)�)和RSNS(檢流電阻)用于�(shè)定充電時(shí)間和充電電流。DS2711/DS2712的另外一�(gè)特性是可以檢測(cè)電池充電故障和堿性原電池。如果發(fā)生這些情況,充電器�(huì)自行�(guān)�(jī)�

  如何檢測(cè)堿性電�

  全新的鎳氫AA電池的典型內(nèi)阻在30mΩ�100mΩ,堿性電池的�(nèi)阻一般在200mΩ�300mΩ (根據(jù)充電狀�(tài),可�700mΩ),出�(xiàn)故障的充電電池會(huì)有很高的�(nèi)�。DS2711/DS2712通過(guò)檢測(cè)到的電池電壓(VP1和VP2)和已�(shè)定的充電電流可以�(jì)算出待充電電池的�(nèi)��

  CTST引腳(用于電池�(cè)試、設(shè)置門(mén)�)控制電池�(nèi)阻的�(cè)�。VCTST是充電過(guò)程中的電池電壓減去無(wú)充電電流�(shí)的開(kāi)路電池電�(OCV)后的差�。這�(gè)值等于充電電流乘以電池內(nèi)阻的乘積。如果檢�(cè)引腳(VP1、VP2和VN1)與電池沒(méi)有采用Kelvin連接,引線電阻也將計(jì)入測(cè)量值,影響VCTST。計(jì)算外部電阻RCTST的公式為�

  RCTST = 8000 [V2/A] / VCTST, 其中VCTST = ICharge * RCELL(Eq. 2)

  例如,當(dāng)以C/2速率(1.1A)�2200mAh NiMH電池充電�(shí)� 選擇RCELL = 150mΩ為電池內(nèi)阻門(mén)限時(shí), VCTST將為: VCTEST = ICHARGE * RCELL = 1.1A * 150mΩ = 0.165V �: RCTST = 8000 [V2/A] / 0.165V = 48,485Ω

  (最近的�(biāo)�(zhǔn)1[%]阻值為48.7kΩ) 如果超過(guò)VCTST門(mén)�(本例�> 0.165V),表明電池內(nèi)阻高�150mΩ,芯片會(huì)提供邏輯指示或出�(cuò)信息指示(LED1、LED2),同�(shí)停止充電�(guò)�(�4)�

充電器的充電流程

  �4. �3中所示充電器的充電流�

  單機(jī)鋰離子電池快速充電器

  �?yàn)椴恍枰獧z�(cè)電壓變化�(dV/dt),鋰離子電池充電器比鎳氫電池�(jiǎn)�。同�(shí),由于鋰離子電池�(duì)�(guò)充非常敏�,充電器需要一�(gè)精確�4.2V ± 50mV電源保證恒功率充�。至于鎳氫電�,充電器不僅需要電壓監(jiān)�(cè),還需要其它監(jiān)控功�(溫度、計(jì)�(shí)�)�

  單機(jī)鋰離子電池充電器MAX8601�(nèi)置所謂的Vbatt可控電壓�,它可以�+25°C提供4.2V ± 0.021V,或�40°C < T < 85°C提供4.2V ± 0.034V的精�。當(dāng)通過(guò)Vbatt連接給鋰離子電池充電�(shí),充電器可以保持恒定輸出功率(�5),外部電�(接SETI引腳)和外部電�(接CT引腳)可以�(shè)定充電電流和�(nèi)部計(jì)�(shí)。該充電器還通過(guò)一�(gè)�(fù)溫度系數(shù)電阻�(lái)�(jiān)控電池的溫度�

離子電池單機(jī)充電器的典型應(yīng)用電路圖

  �5. MAX8601鋰離子電池單�(jī)充電器的典型�(yīng)用電路圖

  MAX8601充電器的主要�(yōu)�(diǎn)是可以通過(guò)外部適配器或USB端口給電池充�(�6)。USB端口根據(jù)USEL引腳的設(shè)置可以提�100mA�500mA電流(典型USB輸出電流)。該芯片�(huì)自動(dòng)選擇外部電源(主適配器或USB)。如果兩�(gè)電源同時(shí)存在,它�(huì)選擇主適配器�(jìn)行充�。任何一�(gè)電源都必須能夠提供最�4.5V的電壓�

  MAX8601具有低電池電壓預(yù)�、限�/限流快速充電和浮充模式等控制算法,�(yōu)化了鋰離子電池充�。器件還有上電復(fù)位以及電池過(guò)�、高�/低溫檢測(cè)和充電時(shí)間的連續(xù)�(jiān)�(cè)功能�

充電器的充電流程圖

  �6. �5中充電器的充電流程圖

  �(jié)�

  DS2711/DS2712和MAX8601都是單機(jī)充電�,它們具有多種監(jiān)控功�(電壓、電流、溫�、計(jì)�(shí)�),既不需要微控制器監(jiān)�,也不需要電源浪涌保�(hù),而且提供清晰、簡(jiǎn)單的外部切換�

是否能繼�(xù)充電的檢查方�

  充電電池是否能繼�(xù)充電的檢查方法是:用萬(wàn)用表電壓擋測(cè)其空載電�,如果能�(cè)到有零點(diǎn)幾伏以上的電壓值,表明能給該電池充�。如果沒(méi)�(cè)到一�(diǎn)電壓 (電壓值為�),此�(shí),再用萬(wàn)用表的Rx100擋,�(cè)其正、反向電阻�,如果正、反向電阻值有區(qū)�,表明該電池仍能給予充電使用。如果既�(wú)電壓又無(wú)�、反向電阻,�(shuō)明該充電電池不能再�(jìn)行充��

維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��

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