可充電電池技術和充電方法

   本文概述充電方法和現代電池技術，以便更好地了解便攜裝置所用的電池。這包括鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li+)電池化學性質的描述。本文也描述了單節鋰離子和鋰離子聚合物電池的保護器件。 

電池定義
   電池稱之為能量儲存系統，這也包括續流和時鐘源。從現代技術的角度看，電池通常是產生電能的自儲化學系統的便攜裝置。
   一次性電池(稱之為不可充電或初級電池)從恆定變化電池的化學反應產生電能。一次性電池的放電引起電池化學成分的永久性和不可逆變化。反之，可充電電池稱之為二次電池，二次電池由充電器充電而在應用中放電。因此，二次電池可以多次產生能量和多次儲存能量。
    充電或放電電流(安培)通常表示為額定容量的倍數(稱之為C率)。例如，額定為1安培一小時(1Ah)的電池，C/10放電電流為1Ah/10=100mA。電池的額定容量(Ah或mAh)是在特定條件下完全充電時所能儲存(產生)的電量。因此，電池的總能量是容量乘電壓，其量度為瓦特一小時。

電池性能測試
    電池的化學成分和設計一起限定電池所能提供的電流。若沒有限制性能的實際因素，電池可產生無窮大的電流。限制電池性能的主要因素是化學成分的反應率、電池設計和發生反應的區域。某些電池具有產生大電流的能力。例如，鎳鎘電池所產生的電流大到足以熔化金屬和引起火災。其他電池只能產生弱電流。
    電流中所有化學和機械因素的凈效應可表示為單一數學因數一等效內阻。降低內阻可得到較大的電流。
    沒有一個電池能永久地儲存能量。不可避免地，電池化學反應能力逐漸下降導致電池儲存電荷減少。電池容量和重量(或尺寸)之比稱之為電池的存儲密度。在給定尺寸和重量的電池中，高存儲密度意味著可儲存更多能量。

表1給出個人計算機和蜂窩電話所用主要化學電池的額定電壓和存儲密度(用每千克重量的瓦特一小時或Wh/Kg)表示。
表2列出幾種電池的主要特性。
 

若一次性和二次電池都能達到同一目的，為什麼總是不選擇二次電池呢？這是因為二次電池有下列缺點：

• 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)不能保證完全充滿電。事實上它們很可能幾乎被放電。因此，第一件要做的事情是根據製造商提供的化學成分相關指南，對電池/電池組進行充電。
    充電操作根據電池的化學成分依序加電壓和電流。因此，充電器和充電演算法滿足電池化學成分的不同要求。電池充電經常遇到的術語是：用於NiCl 和NiMH電池的恆流(CC)和用於鋰離子和鋰聚合物電池的恆流/恆壓(CC/CV)(見圖1-6)。

圖1  半恆流充電(主要用在電動剃刀，數字無繩電話和玩具等應用中)

圖2  定時器控制的充電(主要用在筆記本電腦、數據終端、無線設備和蜂窩電話中)

圖3  -△V截止電流(用在筆記本電腦、數據終端、攝錄像機、無線設備和蜂窩電話中)

圖4  -dT/dt終止充電(應用在電動工具和電氣工具中)

表3列出各種充電方法。

 
 
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
    加恆流(0.05C-1C)對NiCd電池充電。某些低成本充電器藉助絕對溫度終止充電。雖然簡單、成本較低，但這種充電終止方法是不精確的。較好的方法是用檢測電壓跌落的方法終止充電。-△V 方法對於充電速率為0.5C或更高速率的NiCd電池是最有效的。-△V充電終止檢測應該與電池溫度測量相結合，因為變質電池和失配電池可降低△V。
   用檢測溫度增加速率(dT/dt)實現更精確的滿充檢測，這種充電檢測方法比固定溫度終止方法更好。基於dT/dt和-△V終止組合方法的充電終止方法具有較長的壽命周期，可避免過充電。
   充電可改善充電效率。在1C效率接近1.1(91%)，而空載電池的充電時間，1小時多一點，當以0.1C充電時，效率降到1.4(71%)，充電時間為14小時左右。
   NiCd電池的電荷接收度接近100%，所以在開始70%充電期間吸收幾乎所有的能量，而電池保持微冷。超快速充電器利用該特點，在幾分鐘內把電池充電到70%電平，所加電流等於幾倍的C率，而無熱量產生。達到70%電平之後，電池以較低速率繼續充電，直到電池充滿電為止。最後，加0.02~0.1C涓流結束電池充電。 

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dT/dt方法，這是NiMH電池充電的最好方法。NiMH電池的充電結束電壓下降比較小，而對小充電率(低於0.5C，這取決於溫度)可以完全無電壓下降。
    新的NiMH電池在充電周期內過早地出現不可靠的峰值，這會導致充電器過早結束充電。此外，用-△V檢測充電結束能保護過充電，過充電本身又在電池失效前限制充電/放電的次數，在所有條件(新或舊，熱或冷，全部或部分放電)下似乎沒有可用的-dV/dt演算法能使NiMH電池充電更有效。基於此原因，不能用NiCd充電器為NiMH電池充電，除非它是用dT/dt方法終止充電。因為NiMH電池不能吸收過充電，所以，涓流充電必須比NiCd小(0.05C左右)。
    慢充電NiMH電池比較困難，這是與0.1C-0.3C範圍C率有關的電壓和溫度分佈不能提供足夠精確充滿電狀態的指示。因此，慢充電器必須依靠定時器來指示何時充電周期應該結束。所以，為了使NiMH電池充滿電，應該施加接近1C(或根據電池製造商標定的C率)的快速充電，同時監控電壓(△V=0)和溫度(dT/dt)來確定何時充電應該結束。

鋰離子和鋰聚合物電池充電
    其實，鎳基電池的充電器是限流型的，而鋰離子電池充電器是限制電壓和電流。第1代鋰離子電池充電電壓限制在4.10V/電池。較高的電壓意味著較大的容量，通過增加化學添加劑實現了4.20V電池電壓。現代鋰離子電池一般充電到4.20V(容差±0.05V/電池)。
    電端電壓達到電壓閥值和充電電流降到0.03C(接近於3%Ich，見圖6)之後達到滿充電。大多數充電器達到滿充電的時間大約為3小時，而一些線性充電器聲稱大約一小時充電Li+電池。這種充電器通常在電池端電壓達到4.2V時終止充電。然而，這種規定只充電電池到其容量的70%。
    的充電電流不能使充電時間縮短太多。較大的充電電流能較快地達到電壓峰值，但浮充需較長時間。憑經驗，浮充是初始充電時間的兩倍。 

鋰離子電池安全措施
   因為過充電(或過放電)鋰離子電池可能會導致電池爆炸和人員傷害，所以，在使用這類電池時，安全是主要關心的問題。因此，商用鋰離子電池組，包含象DS2720這樣的保護電路(圖7)，DS2720提供可充電Li+電池應用所需的所有電池保護功能：充電期間保護電池，防止超量電流流過的保護電路和限制電池耗盡，電平使電池壽命最長。

圖7  DS2720鋰電池保護電路
   2720IC用外部開關器件(如低成本N溝道功率MOSFET)控制充電和放電電流的路徑。IC內部9V電荷泵為外部n溝道MOSFET提供高端驅動，這比通用的低端保護電路中相同功能的FET提供更低的導通電阻。FET導通電阻隨電池放電而減少(見圖8)

圖8  DS2720(高端)模式控制的保護FET電阻小於傳統低端模式的FET工作值。DS2720控制的FET電阻隨電池電壓下降

    DS2720可從數據介面或專用輸入控制外部FET，因此，消除了可充電Li+電池系統中額外的功率開關控制。通過其1-Wire介面，DS2720提供主系統對狀態和控制寄存器、儀錶寄存器\通用數據存儲的讀/寫存取。工廠編程的64位唯一地址允許主系統單獨定址每個器件。

    DS2720為電池信息存儲，EEPROM和鎖定表EEPROM提供兩種用戶存儲器。EEPROM是真正的非易失性(NV)存儲器，其內容(重要的電池數據)保持不受嚴重的電池消耗，突然短路或ESD衝擊的影響。當鎖定時，鎖定表EEPROM變成只讀存儲器(ROM)，它們為保持電池數據提供額的安全措施。 

保護模式

   過壓：若在VDD檢測的電池電壓超過過壓閥值Vov的時間大於過壓延遲TOVD，則DS2720關閉外部充電FET，並在保護寄存器中置OV標誌。在過壓期間，放電通路保持開路，當電池電壓降到充電使能閥值電壓VCE以下或放電導致VDD-VPLS>VOC時，充電FET被重新使能(除非被另外保護條件閉鎖)。

   欠壓：若在VDD檢測的電池電壓低於欠壓閥值VUV的時間大於欠壓延遲TUVD，則DS2720關閉充電和放電FET，並置保護寄存器UV標誌，使其進入休眠模式。在電池電壓升到VUV以上和充電器連接之後，IC接通充電和放電FET。

    短路：在TSCD周期，若在VDD檢測的電池電壓低於消耗閥值電壓VSC，則DS2720關閉充電和放電FET，並置保護寄存器的的DOC標誌。經過充電和放電FET的電流通路不會重新建立直到PLS上的電壓升到大於VDD-VOC為止。DS2720提供流經內部電阻RTST(從VDD到PLS，當VDD升到大於VSC時，上拉PLS)的測試電流。此測試電流可使DS2720能檢測低阻抗負載的偏移。另外，通過從PLS到VDD的RTST可恢復充電通路。

    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TET，並置位保護寄存器DOC標誌。電流通路不會重新建立直到PLS上的電壓升到大於VDD-VOC為止。DS2720通過內部電阻TRST(從VDD到PLS)提供測試電流來檢測不合格的低阻抗負載的偏移。

    過溫：DS2720溫度超過TMAX，則立即關斷外部充電和放電FET。FET不會導通直到如下兩個條件滿足為止：電池溫度降到低於TMAX，主機複位OT位。 

充電溫度
    應盡量在室溫下充電。鎳基電池應在10℃~30℃之間快速充電。低於5℃(41oF)和高於45℃(113oF)，鎳基電池的充電接收度急劇降低。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℃(41oF)，充電率小於1C。 

結語
    NiMH充電器可適應NiCd電池，但反之不行。專用於NiCd電池的充電器將會過充電NiMH電池。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所引起的記憶效應。鎳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，過壓和欠壓以及過溫。

注意：在電池不經常用是時，從充電器取下電池，在使用前對電池充滿電。