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)�。這些�(chǎn)品需要消耗的功率越來越大,而可充電電池容量的增長速度�(yuǎn)�(yuǎn)不能滿足它們的需�。功耗增長的主要原因是設(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)��
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)很簡單的工作,但是在大多�(shù)情況下這一過程頗為�(fù)�。設(shè)�(jì)人員需要在性能、成�、外形尺寸以及其他關(guān)鍵要求方面找到一個平衡點(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松�
�3“C”開始實(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),以確保滿足下面三個關(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)中先考慮的問題。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)時器以及電池溫度�(jiān)控�
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個充電周期都能將電池容量充至充滿狀�(tài)。過早的終止充電會導(dǎo)致電池運(yùn)行時間縮�,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)每個電池組最多充電周期的重要一步。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晚或非正常充電終止是化電池使用壽命所必須的一些步驟�
�1:充電控制總�(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)人員通常會根�(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�
近年來,盡管使用鋰離子電池和鋰聚合物電池的趨勢增�(qiáng),但是Ni電池化學(xué)技�(shù)仍然是諸多消�(fèi)類應(yīng)用一個不錯的選項(xiàng)�
無論選擇何種電池化學(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)重要的。這些技�(shù)將確保電池在每一次和每個充電周期都能被充至容量,而不會降低安全性或縮短電池使用壽命�
NiCd/NIMH
在一個充電周期開始之�,并且盡可能在開始快速充電之前對鎳鎘(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,對所有“熱”電池(一般高�45℃)的充電工作都會暫時終�,直到電池冷卻到正常工作溫度范圍�(nèi)才會再次�(yùn)�(zhuǎn)。要想處理一個“冷”電池(一般低�10℃)或過度放電的電池(每節(jié)電池通常低于1V�,需要施加一個溫和的�(diǎn)滴式電流�
�(dāng)電池溫度和電壓正確時快速充電開�。通常�1℃或更低的恒定電流對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止來避免有害的過充電�
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所示,典型的電壓終止方法是峰值電壓探�,在峰值時即每個電池的電壓�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來探測完全充�。典型的T/t率為1�/每分鐘�
�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�,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似�
如圖2所�,驗(yàn)證和�(yù)處理之后,先用一�1C或更低的電流對鋰離子電池�(jìn)行充電,直到電池�(dá)到其充電電壓極限為止。該充電階段通常會補(bǔ)充高�(dá)70[%]的電池容�。然后用一個通常�4.2V的恒定電壓對電池�(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�,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[%]以下充電通常就會終止�
�2:鋰離子電池化學(xué)技�(shù)充電曲線�
開關(guān)模式與線性充電拓?fù)涞膶Ρ?/FONT>
傳統(tǒng)上來說,手持�(shè)備都使用線性充電拓?fù)?。該方法具有諸多�(yōu)勢:低實(shí)施成�、設(shè)�(jì)簡捷以及無高頻開�(guān)的無噪聲�(yùn)行。但�,線性拓?fù)鋾黾酉到y(tǒng)功�,尤其是�(dāng)電池容量更高引起的充電率增加的時�。如果設(shè)�(jì)人員無法管理�(shè)�(jì)的散熱問題,這就會成為一個主要缺�(diǎn)�
�(dāng)PC USB端口作為電源�,則會出�(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)致了充電時間過長�
這就是開�(guān)模式�?fù)溆杏梦渲氐脑?。開�(guān)模式�?fù)涞闹饕獌?yōu)勢在于效率的提高。與線性穩(wěn)壓器不同,電源開�(guān)(或多個開�(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*率損耗的主要包括開關(guān)損耗(在電源開�(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��
�(dāng)人們聽到開�(guān)模式這個術(shù)語時大多�(shù)人都會想到大型IC、大PowerFET以及超大型電�!事�(shí)上,雖然對于處理�(shù)十安培電流的�(yīng)用而言確實(shí)是這樣,但是對于手持設(shè)備的新一代解決方案而言情況就不一樣了。新一代單體鋰離子開關(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說明了當(dāng)今市場上已開始銷售的此類解決方案。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開關(guān)頻率,該解決方案要求一個小�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程更輕松�
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)�。這些�(chǎn)品需要消耗的功率越來越大,而可充電電池容量的增長速度�(yuǎn)�(yuǎn)不能滿足它們的需�。功耗增長的主要原因是設(shè)備功能的增強(qiáng),例如:�(shù)碼相�(jī)與手�(jī)的功能整合,筆記本電腦更高的�(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�、更�(huán)��
本文介紹了可充電電池的化�(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�(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),安全、快速地對鎳氫和鋰離子充電電池�(jìn)行充��
可充電電池類�
20世紀(jì)80年代的便攜設(shè)�,如�(shù)字無繩電�、隨身聽和電動剃須刀�,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)入市場并開始流行 �?yàn)閮r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個因�),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)會累積并且開始結(jié)�(在陽極有100微米的鎘累積�),通過化學(xué)反應(yīng)這層物質(zhì)會自行消�(一塊全新電池的陽極大約�1微米厚度的鎘�(jié)�)�
出現(xiàn)記憶效應(yīng)會導(dǎo)致電池容量越來越�,端電壓越來越低,使得電池到�(dá)可用端電�(�(guān)斷點(diǎn))的時間比�(yù)期的早許�,如�1所�。鎳鎘電池的另一個缺�(diǎn)是它的活性物�(zhì)中含有有毒的鎘。所�,歐洲法�(guī)2000/53/EG�2005�12�31號后禁止銷售鎳鎘充電電池�
鎳氫電池比鎳鎘電池更�(huán)保,但是價格更貴。鎳氫電池的放電電流略小,但受惰性效�(yīng)的影�。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�,導(dǎo)致無法完全使用可充電電池的全部容�,但都可以通過使用帶有放電功能的充電器來避��
�1. 鎳鎘電池的記憶效�(yīng)與鎳氫電池的惰性效�(yīng)之間的比� 鋰電子可充電電池價格,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)��
�1給出了各種類型電池的主要特��
單機(jī)鎳氫電池快速充電器
雖然很多人更偏愛鋰離子電�,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始下�(�2)。所�,鎳氫電池充電器的主要任�(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�,在充電過程中對溫度和電壓�(jìn)行連續(xù)�(jiān)控可以提供系�(tǒng)的安全��
�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�(底部)隨時間的變化
DS2711/DS2712充電器具備上述功�。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)品是專門為單節(jié)AA或AAA可充電電池設(shè)�(jì)�,同時也適用于串�(lián)或并�(lián)的兩節(jié)電池。DS2711采用線性控制結(jié)�(gòu),DS2712采用開關(guān)控制�(jié)�(gòu)。為了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:�(yù)充電、快速充�、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個比較低的速率(對于DS2711而言�25[%])�
除監(jiān)控功能外,DS2711/DS2712充電器還帶有�(nèi)部計(jì)時器,通過連接到TMR引腳的外部電阻設(shè)定充電時�,可將快速充電時間設(shè)置在0.5�10小時。浮充時間已�(jīng)�(shè)定為充電時間的一�(0.25�5小時)。根�(jù)所要求的充電時�(TAPPROX),由下式�(jì)算電阻值:
R = 1000TAPPROX / 1.5(Eq. 1)
快速充電模式下,如果超過充電時間,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)�,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�(�3)�
�3. 該典型應(yīng)用電路中,DS2711電池充電�
�2個串�(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�(jiān)測電池的溫度。TMR (�(jì)時器)和RSNS(檢流電阻)用于�(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)�(jī)�
如何檢測堿性電�
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)故障的充電電池會有很高的�(nèi)�。DS2711/DS2712通過檢測到的電池電壓(VP1和VP2)和已�(shè)定的充電電流可以�(jì)算出待充電電池的�(nèi)阻�
CTST引腳(用于電池測試、設(shè)置門�)控制電池�(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�。這個值等于充電電流乘以電池內(nèi)阻的乘積。如果檢測引�(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, 其中VCTST = ICharge * RCELL(Eq. 2)
例如,當(dāng)以C/2速率(1.1A)�2200mAh NiMH電池充電�� 選擇RCELL = 150mΩ為電池內(nèi)阻門限時, 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VCTST門�(本例�> 0.165V),表明電池內(nèi)阻高�150mΩ,芯片會提供邏輯指示或出錯信息指�(LED1、LED2),同時停止充電過�(�4)�
�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測電壓變化率(dV/dt),鋰離子電池充電器比鎳氫電池簡單。同�,由于鋰離子電池對過充非常敏�,充電器需要一個精確的4.2V ± 50mV電源保證恒功率充電。至于鎳氫電�,充電器不僅需要電壓監(jiān)�,還需要其它監(jiān)控功�(溫度、計(jì)時等)�
單機(jī)鋰離子電池充電器MAX8601�(nèi)置所謂的Vbatt可控電壓源,它可以在+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Vbatt連接給鋰離子電池充電�,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)�。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�
�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)。該芯片會自動選擇外部電�(主適配器或USB)。如果兩個電源同時存在,它會選擇主適配器�(jìn)行充�。任何一個電源都必須能夠提供最�4.5V的電��
MAX8601具有低電池電壓預(yù)充、限�/限流快速充電和浮充模式等控制算�,優(yōu)化了鋰離子電池充�。器件還有上電復(fù)位以及電池過�、高�/低溫檢測和充電時間的連續(xù)�(jiān)測功��
�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�、溫度、計(jì)時等),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、簡單的外部切換�
充電電池是否能繼�(xù)充電的檢查方法是:用萬用表電壓擋測其空載電壓,如果能測到有零點(diǎn)幾伏以上的電壓�,表明能給該電池充電。如果沒測到一�(diǎn)電壓 (電壓值為�),此�,再用萬用表的Rx100�,測其正、反向電阻�,如果正、反向電阻值有區(qū)別,表明該電池仍能給予充電使用。如果既無電壓又無正、反向電�,說明該充電電池不能再�(jìn)行充��