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充电电池

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充电电池已经成为当今电子产品的一种标准电源,特别是便携设备:笔记本电脑、掌上导航仪、手机等。这些产品需要消耗的功率越来越大,而可充电电池容量的增长速度远远不能满足它们的需求。功耗增长的主要原因是设备功能的增强,例如:数码相机与手机的功能整合,笔记本电脑更高的运算速度以及大尺寸屏幕的需求等等。便携设备功耗的增大使得用可充电电池要比标准电池更便宜、更环保。

权衡充电电池与电源管理

  • 便携式电子设备设计人员可以选择各种各样的化学技术、充电器拓扑以及充电管理解决方案。选择一款最为合适的解决方案应该是一项很简单的工作,但是在大多数情况下这一过程颇为复杂。设计人员需要在性能、成本、外形尺寸以及其他关键要求方面找到一个最佳平衡点。

    本文将为广大设计人员和系统工程师提供一些指导和帮助以使得该选择工作变得更为轻松。

    以3“C”开始实现充电控制

    所有使用可的系统设计人员都需要清楚一些基础设计技术,以确保满足下面三个关键的要求:

    1、电池安全性:毋庸置疑,终端用户安全是所有系统设计中最优先考虑的问题。大多数锂离子(Li-I)电池组和锂聚合物(Li-Pol)电池组都含有保护电子电路。然而,还有一些系统设计需要考虑的关键因素。其中包括但不局限于确保在锂离子电池充电最后阶段期间1[%]的稳压容限、安全处理深度放电电池的预处理模式、安全计时器以及电池温度监控。

    2、电池容量:所有的电池充电解决方案都要确保在每一次和每一个充电周期都能将电池容量充至充满状态。过早的终止充电会导致电池运行时间缩短,这是当今高功耗的便携式设备所不希望的。

    3、电池使用寿命:遵循建议的充电算法是确保终端用户实现每个电池组最多充电周期的重要一步。利用电池温度和电压限定每一次充电、预处理深度放电电池并避免过晚或非正常充电终止是最大化电池使用寿命所必须的一些步骤。

    表1:充电控制总结。

    电池化学技术的选择

    现在系统设计人员可以在多种电池化学技术中进行选择。设计人员通常会根据下面的一些标准进行电池化学技术的选择,其中包括:

    · 能量密度

    · 规格和外形尺寸

    · 成本

    · 使用模式和使用寿命

    近年来,尽管使用锂离子电池和锂聚合物电池的趋势增强,但是Ni电池化学技术仍然是诸多消费类应用一个不错的选项。

    无论选择何种电池化学技术,遵循每一种电池化学技术的正确充电管理技术都是至关重要的。这些技术将确保电池在每一次和每个充电周期都能被充至最大容量,而不会降低安全性或缩短电池使用寿命。

    NiCd/NIMH

    在一个充电周期开始之前,并且尽可能在开始快速充电之前对镍镉(NiCd)电池和镍氢(NiMH)电池必须要进行检验和调节。如果电池电压或温度超出了允许的极限是不允许进行快速充电的。出于安全考虑,对所有“热”电池(一般高于45℃)的充电工作都会暂时终止,直到电池冷却到正常工作温度范围内才会再次运转。要想处理一个“冷”电池(一般低于10℃)或过度放电的电池(每节电池通常低于1V),需要施加一个温和的点滴式电流。

    当电池温度和电压正确时快速充电开始。通常用1℃或更低的恒定电流对NiMH电池进行充电。一些NiCd电池可以用高达4C的速率进行充电。采用适当的充电终止来避免有害的过充电。

    就镍基可充电电池而言,快速充电终止基于电压或温度。如图1所示,典型的电压终止方法是峰值电压探测,在峰值时即每个电池的电压在0~-4mV范围内,快速充电被终止。基于温度的快速充电终止方法是观察电池温度上升率T/t来探测完全充电。典型的T/t率为1℃/每分钟。

    图1:镍电池化学技术的充电曲线。

    锂离子/锂聚合物电池

    与NiCd电池和NiMH电池相类似,在快速充电之前尽可能检验并调节锂离子电池。验证和处理方法与上述使用的方法相类似。

    如图2所示,验证和预处理之后,先用一个1C或更低的电流对锂离子电池进行充电,直到电池达到其充电电压极限为止。该充电阶段通常会补充高达70[%]的电池容量。然后用一个通常为4.2V的恒定电压对电池进行充电。为将安全性和电池容量,必须要将充电压稳定在至少1[%]。在此充电期间,电池汲取的充电电流逐渐下降。就1C充电率而言,一旦电流电平下降到初始充电电流的10-15[%]以下充电通常就会终止。

    图2:锂离子电池化学技术充电曲线。

    开关模式与线性充电拓扑的对比

    传统上来说,手持设备都使用线性充电拓扑。该方法具有诸多优势:低实施成本、设计简捷以及无高频开关的无噪声运行。但是,线性拓扑会增加系统功耗,尤其是当电池容量更高引起的充电率增加的时候。如果设计人员无法管理设计的散热问题,这就会成为一个主要缺点。

    当PC USB端口作为电源时,则会出现其他一些缺点。当今在许多便携式设计上都具有USB充电选项,并且都可提供高达500mA的充电率。就线性解决方案而言,由于其效率较低,可以从PC USB传输的“电能”量就被大大降低,从而导致了充电时间过长。

    这就是开关模式拓扑有用武之地的原因。开关模式拓扑的主要优势在于效率的提高。与线性稳压器不同,电源开关(或多个开关)在饱和的区域内运行,其大大降低了总体损耗。降压转换器*率损耗的主要包括开关损耗(在电源开关中)以及滤波电感中的DC损耗。根据设计参数的不同,在这些应用中出现效率大大高于95[%]的情况就不足为奇了。

    当人们听到开关模式这个术语时大多数人都会想到大型IC、大PowerFET以及超大型电感!事实上,虽然对于处理数十安培电流的应用而言确实是这样,但是对于手持设备的新一代解决方案而言情况就不一样了。新一代单体锂离子开关模式充电器采用了最高级别的芯片集成,高于1MHz的使用频率以最小化电感尺寸。图1说明了当今市场上已开始销售的此类解决方案。该硅芯片的尺寸不到4mm2,其集成了高侧和低侧PowerFET。由于采用了3MHz开关频率,该解决方案要求一个小型1uH电感,其外形尺寸仅为:2mmx2.5mmx1.2mm(WxLxH)。

    充电器的选择

    电池充电器工具使得设计人员选择正确的充电器的过程更轻松。

充电电池和单机快速充电器介绍

  • 充电电池已经成为当今电子产品的一种标准电源,特别是便携设备:笔记本电脑、掌上导航仪、手机等。这些产品需要消耗的功率越来越大,而可充电电池容量的增长速度远远不能满足它们的需求。功耗增长的主要原因是设备功能的增强,例如:数码相机与手机的功能整合,笔记本电脑更高的运算速度以及大尺寸屏幕的需求等等。便携设备功耗的增大使得用可充电电池要比标准电池更便宜、更环保。

    本文介绍了可充电电池的化学成分;同时说明了各种充电电池的典型特征和选择电池类型时需要重点注意的事项。另外还讨论了在不使用微控制器或使用电源浪涌保护的主适配器的情况下如何构建单机结构,安全、快速地对镍氢和锂离子充电电池进行充电。

    可充电电池类型

    20世纪80年代的便携设备,如数字无绳电话、随身听和电动剃须刀等,主要由镍镉(NiCd)电池供电。到了90年代后期,镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li-Ion)电池逐渐进入市场并开始流行 因为价格比镍氢和锂离子电池便宜,镍镉电池在低端应用中十分普遍。镍镉电池可提供最高的放电电流,适合短时间内需要大功率输出的应用。

    另一方面,镍镉电池曾经被所谓的记忆效应困扰(现在的镍镉电池很少考虑这个因素),使电池容量降低。如果镍镉电池在未完全放电的情况下再充电,一些活性物质会累积并且开始结晶(在阳极有100微米的镉累积层),通过化学反应这层物质会自行消失(一块全新电池的阳极大约有1微米厚度的镉结晶)。

    出现记忆效应会导致电池容量越来越小,端电压越来越低,使得电池到达最低可用端电压(关断点)的时间比预期的早许多,如图1所示。镍镉电池的另一个缺点是它的活性物质中含有有毒的镉。所以,欧洲法规2000/53/EG在2005年12月31号后禁止销售镍镉充电电池。

    镍氢电池比镍镉电池更环保,但是价格更贵。镍氢电池的放电电流略小,但受惰性效应的影响。惰性效应是比镍镉电池记忆效应稍轻的一种现象。惰性效应是由于镍的结晶导致的。惰性效应和记忆效应一样,导致无法完全使用可充电电池的全部容量,但都可以通过使用带有放电功能的充电器来避免。

    图1. 镍镉电池的记忆效应与镍氢电池的惰性效应之间的比较 锂电子可充电电池价格最高,但具有足够高的能量密度,因而可以在给定尺寸下提供更优性能,更适合小尺寸、高集成度的便携设备。

    表1给出了各种类型电池的主要特性。

    单机镍氢电池快速充电器

    虽然很多人更偏爱锂离子电池,镍氢电池的使用依然很流行。因为镍氢电池比锂离子电池便宜很多,所以在MP3播放器、闪光灯配件、车灯等设备中经常能看到标准的AA和AAA镍氢电池。

    一块可充电镍氢电池的温度和端电压随着电池的充电逐步上升,在电池完全充满后开始下降(图2)。所以,镍氢电池充电器的主要任务是检测到这个突变点并中断充电,或者从快速充电切换到涓流充电。另外,在充电过程中对温度和电压进行连续监控可以提供系统的安全性。

    图2. 这些曲线显示了NiMH充电电池充电过程中典型的电压(顶部)和温度(底部)随时间的变化

    DS2711/DS2712充电器具备上述功能。另外,它们可以单机工作,不需要微控制器或微处理器监控。该系列产品是专门为单节AA或AAA可充电电池设计的,同时也适用于串联或并联的两节电池。DS2711采用线性控制结构,DS2712采用开关控制结构。为了最大限度地延长工作时间、节约电池能量,这些充电器有4种充电模式:预充电、快速充电、浮充和涓流充电。在浮充模式下,电池充满后充电速率被切换到一个比较低的速率(对于DS2711而言是25[%])。

    除监控功能外,DS2711/DS2712充电器还带有内部计时器,通过连接到TMR引脚的外部值:

    R = 1000TAPPROX / 1.5(Eq. 1)

    快速充电模式下,如果超过最大充电时间,充电器会从快速充电模式切换到浮充模式,同时复位计时器。计时器开始为浮充过程计时,如果达到预定的浮充时间,充电器将从浮充模式切换到涓流模式(图3)。

    图3. 该典型应用电路中,DS2711电池充电器

    为2个串联的 镍氢充电电池充电 VP1、VP2用于监视电压,THM1、THM2配合热敏电阻用来监测电池的温度。TMR (计时器)和RSNS(检流电阻)用于设定充电时间和充电电流。DS2711/DS2712的另外一个特性是可以检测电池充电故障和碱性原电池。如果发生这些情况,充电器会自行关机。

    如何检测碱性电池

    全新的镍氢AA电池的典型内阻在30mΩ到100mΩ,碱性电池的内阻一般在200mΩ到300mΩ (根据充电状态,最高可到700mΩ),出现故障的充电电池会有很高的内阻。DS2711/DS2712通过检测到的电池电压(VP1和VP2)和已设定的充电电流可以计算出待充电电池的内阻。

    CTST引脚(用于电池测试、设置门限)控制电池内阻的测量。VCTST是充电过程中的电池电压减去无充电电流时的开路电池电压(OCV)后的差值。这个值等于充电电流乘以电池内阻的乘积。如果检测引脚(VP1、VP2和VN1)与电池没有采用Kelvin连接,引线电阻也将计入测量值,影响VCTST。计算外部电阻RCTST的公式为:

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

    例如,当以C/2速率(1.1A)为2200mAh NiMH电池充电时, 选择RCELL = 150mΩ为电池内阻门限时, VCTST将为: VCTEST = ICHARGE * RCELL = 1.1A * 150mΩ = 0.165V 或: RCTST = 8000 [V2/A] / 0.165V = 48,485Ω

    (最近的标准1[%]阻值为48.7kΩ) 如果超过VCTST门限(本例中> 0.165V),表明电池内阻高于150mΩ,芯片会提供逻辑指示或出错信息指示(LED1、LED2),同时停止充电过程(图4)。

    图4. 图3中所示充电器的充电流程

    单机锂离子电池快速充电器

    因为不需要检测电压变化率(dV/dt),锂离子电池充电器比镍氢电池简单。同时,由于锂离子电池对过充非常敏感,充电器需要一个精确的4.2V ± 50mV电源保证恒功率充电。至于镍氢电池,充电器不仅需要电压监测,还需要其它监控功能(温度、计时等)。

    单机锂离子电池充电器MAX8601内置所谓的Vbatt可控电压源,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。当通过Vbatt连接给锂离子电池充电时,充电器可以保持恒定输出功率(图5),外部电阻(接SETI引脚)和外部电容(接CT引脚)可以设定充电电流和内部计时。该充电器还通过一个负温度系数电阻来监控电池的温度。

    图5. MAX8601锂离子电池单机充电器的典型应用电路图

    MAX8601充电器的主要优点是可以通过外部适配器或USB端口给电池充电(图6)。USB端口根据USEL引脚的设置可以提供100mA、500mA电流(典型USB输出电流)。该芯片会自动选择外部电源(主适配器或USB)。如果两个电源同时存在,它会选择主适配器进行充电。任何一个电源都必须能够提供最小4.5V的电压。

    MAX8601具有低电池电压预充、限压/限流快速充电和浮充模式等控制算法,优化了锂离子电池充电。器件还有上电复位以及电池过压、高温/低温检测和充电时间的连续监测功能。

    图6. 图5中充电器的充电流程图

    结论

    DS2711/DS2712和MAX8601都是单机充电器,它们具有多种监控功能(电压、电流、温度、计时等),既不需要微控制器监控,也不需要电源浪涌保护,而且提供清晰、简单的外部切换。

充电电池是否能继续充电的检查方法

  • 充电电池是否能继续充电的检查方法是:用电压挡测其空载电压,如果能测到有零点几伏以上的电压值,表明能给该电池充电。如果没测到一点电压 (电压值为零),此时,再用万用表的Rx100挡,测其正、反向电阻值,如果正、反向电阻值有区别,表明该电池仍能给予充电使用。如果既无电压又无正、反向电阻,说明该充电电池不能再进行充电。

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