摘要：本應(yīng)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(jī)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(dāng)今電子產(chǎn)品的一種標(biāo)準(zhǔn)電源，特別是便攜設(shè)備：筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)。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(qiáng)，例如：數(shù)碼相機(jī)與手機(jī)的功能整合，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標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(diǎn)注意的事項(xiàng)。另外還討論了在不使用微控制器或電源浪涌保護(hù)的主適配器的情況下如何構(gòu)建單機(jī)結(jié)構(gòu)，安全、快速地對鎳氫和鋰離子充電電池進(jìn)行充電。

可充電電池類型

20世紀(jì)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(jìn)入市場并開始流行。

因?yàn)閮r格比鎳氫和鋰離子電池便宜，鎳鎘電池在低端應(yīng)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(yīng)用。

另一方面，鎳鎘電池曾經(jīng)被所謂的記憶效應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)會導(dǎo)致電池容量越來越小，端電壓越來越低，使得電池到達(dá)最低可用端電壓(關(guān)斷點(diǎn))的時間比預(yù)期的早許多，如圖1所示。鎳鎘電池的另一個缺點(diǎn)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(yīng)的影響。惰性效應(yīng)是比鎳鎘電池記憶效應(yīng)稍輕的一種現(xiàn)象。惰性效應(yīng)是由于鎳的結(jié)晶導(dǎo)致的。惰性效應(yīng)和記憶效應(yīng)一樣，導(dǎo)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(yīng)與鎳氫電池的惰性效應(yīng)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(jī)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?yàn)殒嚉潆姵乇蠕囯x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(biāo)準(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(diǎn)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(jìn)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(jī)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(jì)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(yù)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(jì)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(jì)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(fù)位計(jì)時器。計(jì)時器開始為浮充過程計(jì)時，如果達(dá)到預(yù)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(yīng)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(jì)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(jī)。該特性十分重要，因?yàn)槿绻o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(yīng)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(jì)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(jì)入測量值，影響VCTST。計(jì)算外部電阻RCTST的公式為：

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

例如，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)鋰離子電池快速充電器

因?yàn)椴恍枰獧z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(jì)時等)。

單機(jī)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(dāng)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(jì)時。該充電器還通過一個負(fù)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(jī)充電器的典型應(yīng)用電路圖

MAX8601充電器的主要優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(yù)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(fù)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(jī)充電器，它們具有多種監(jiān)控功能(電壓、功率、溫度、計(jì)時等)，既不需要微控制器監(jiān)控，也不需要電源浪涌保護(hù)，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(qiáng)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?yàn)樵O(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(yīng)用中使用充電電池。因?yàn)檫@些應(yīng)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(xué)成分及構(gòu)造不適合進(jìn)行充電，強(qiáng)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(xué)成分及構(gòu)造適合進(jìn)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(jìn)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)]

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