电池充电器原理:

摘要：本文概要介绍了电池充电方式和现代电池技术，以使读者能更好的了解便携设备中使用的电池。本文对镍镉(NiCd)电池，镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li+)电池的化学性质进行了描述，还介绍了一款单节锂离子和锂聚合物电池保护芯片。

电池的应用从来没有像现在这么广泛。电池正在变得更小、更轻，在单位体积内容纳更多能量。电池发展的主要动力来自便携设备(例如移动电话，膝上电脑，摄录像机和MP3播放器)的快速发展。这篇关于充电方式和现代电池技术的应用笔记将帮助您更好了解这些便携设备中使用的电池。

如果电池仅定义为能量储存系统，则其有可能包括飞轮和时钟发条等元件。在现代技术中电池的更精确定义为：能够产生电能的便携、独立化学系统。

一次电池，又叫不可充电电池或原电池，从电池单向化学反应中产生电能。原电池放电导致电池化学成分永久和不可逆的改变。但可充电电池，又叫二次电池，可在应用中放电，也可由充电器充电。所以，二次电池储存能量，而不是产生能量。

充电和放电电流(安培)通常用电池额定容量的倍数表示，叫做充电速率(C-rate)。例如，对于额定为1安时(Ah)的电池，C/10的放电电流等于1Ah/10 = 100mA。电池的额定容量(Ah或mAh)是电池在特定的条件下完全放电所能储存(产生)的电能。因此，电池的总能量等于容量乘以电池电压，单位为瓦时。

电池的化学成分和设计共同限制了输出电流。若没有实际因素限制性能，电池瞬时可以输出无穷大电流。限制电池输出电流的主要因素是基本化学反应速率、电池设计，以及进行化学反应的区域。某些电池本身具有产生大电流的能力。如镍镉电池短路电流可大到足以融化金属和引起火灾。其它一些电池只能产生弱电流。电池中所有化学和机械总效应可用一个数学因数表示，即等效内阻。降低内阻可获得更大电流。

没有电池能永久储存能量。电池不可避免要进行化学反应并缓慢退化，导致储存电量减少。电池容量与重量(或体积)之比称为电池的能量密度。高能量密度意味着在给定体积和重量的电池中可存储更多能量。

下表给出了个人电脑和蜂窝电话中可充电电池的主要化学成分，以及其额定电压和能量密度(以瓦时每千克，或Wh/Kg表示)。

表1. 常用可充电电池化学成分的能量密度 CELL TYPENOMINAL
VOLTAGE (V)STORAGE
DENSITY (Wh/kg)Lead acid2.130Nickel cadmium (NiCd)1.240 to 60Nickel metal hydride (NiMH)1.260 to 80Circular lithium ion (Li+)3.690 to 100Prismatic lithium ion3.6100 to 110Polymer lithium ion3.6130 to 150
表2. 常用可充电电池化学成分的特性 AttributeNickel CadmiumNickel Metal HydrideLithium IonEnergy densityLowMediumHighEnergy storageLowMediumMediumCycle lifeHighHighHighCostLowMediumHighSafetyHighHighMediumEnvironmentLowMediumMedium
若一次和二次电池都能达到同样目的，为什么不总是选择二次电池呢？原因是二次电池有以下缺点：

• 实际中，所有二次电池能量都会因自放电较快的损失
• 二次电池使用前必需充电

一个新的可充电电池或电池组(一个电池组中有几个电池)不能保证已充满电。事实上它们很可能已被完全放电。因此，首先要根据制造商提供的、与化学成分相关的指南，对电池/电池组充电。

每次充电要根据电池化学成分按顺序施加电压和电流。因此，充电器和充电算法需满足不同电池化学成分的不同要求。电池充电常用术语包括：用于NiCd和NiMH电池的恒流(CC)，和用于锂离子和锂聚合物电池的恒流/恒压(CC/CV) (图1至6)。


图1. 半恒流充电，主要应用于剃须刀，数字无绳电话和玩具


图2. 定时器控制充电，主要应用于笔记本，数据终端，无线设备和蜂窝电话


图3. -DV终止充电方式，主要应用于笔记本，数据终端，摄录像机，无线设备和蜂窝电话


图4. -dT/dt终止充电方式，应用于电源设备和电动工具


图5. 涓流充电，主要应用于应急灯，导引灯和存储器备份

表3. 充电方式 ChemistryCharging MethodFeatureNo. of TerminalsCharge Time(hours)Charge Current (CmA)Trickle Current(CmA)Charge Level at End of Charge (%)Figure ReferenceNickel Based (NiCl and NiMH)Semi-constant current chargingMost typical system; simple and low cost2150,1--------1Timer-controlled chargingMore reliable than semiconstant current system; relatively simple and low cost26 to 80,21/20-1/30Approx. 1202-V cut-off chargingMost popular; more complex21 to 20,5-11/20-1/30Approx. 110 to 1203T/t cut-off chargingMore costly, but overcharge can be avoided enabling longer life cycle that the others3 or 41 to 2>11/20-1/30Approx. 100 to 1104Trickle-chargingSimple and low cost; applicable for continuous long charging2150,1--------5Lithium BasedConstant current-constant voltage (CC-CV)Not recommended for the main charge-control system for Ni-Cd /NiMH batteries. Prevailing charge method for Li+ and Li- Polymer batteries.Relatively complex charger design.21 to 31----Approx 1006
表4. 不同化学成分电池充满的判据 ChemistryNiClNiMHLi+ChargingConstant currentConstant currentConstant current/constant voltageFull charge detect-V/dt and/orT/dtV/dt = 0 and/orT/dtIcharge = eg 0.03C and/or time
如上所示，电池化学成分和充电技术不同，充电终止的判定条件也不同。

在0.05C至大于1C的范围内对NiCd电池恒流充电。一些低成本充电器使用绝对温度终止充电。虽然简单、成本低，但这种充电终止方法不精确。更好的方法是通过检测电池充满时的电压跌落终止充电。对于充电速率为0.5C或更高的NiCd电池，-ΔV方法是最有效的。-ΔV充电终止检测应与电池温度检测相结合，因为老化电池和不匹配电池可能减少ΔV。

通过检测温升速率(dT/dt)可以实现更精确的满充检测，这种满充检测比固定温度终止对电池更好。基于ΔT/dt和-ΔV组合的充电终止方法可避免电池过充，延长电池寿命。

快速充电可改善充电效率。在1C的充电速率下，效率可以接近1.1 (91%)，充满一个空电池的时间为1小时多一点。当以0.1C充电时，效率便下降到1.4 (71%)，充电时间为14小时左右。

因为NiCd电池对电能接收程度接近100%，所以几乎所有的能量在充电开始的70%期间被吸收，而且电池保持不发热。超快速充电器利用该特点，在几分钟内将电池充到70%，以几C的电流充电而无热量产生。充到70%后，电池再以较低速率继续充电，直到电池充满。最后以0.02C至0.1C的涓流结束充电。

尽管NiMH充电器与NiCd充电器类似，但是，NiMH充电器采用ΔT/dt方法终止充电，这是到目前NiMH电池充电的最好办法。NiMH电池充电结束时电压下降比较小，而对低充电速率(低于0.5C，这取于温度)可能不出现电压下降。

新的NiMH电池会在充电周期内过早地出现错误峰值，这会导致充电器过早结束充电。此外，单用-ΔV检测结束充电几乎肯定会出现过充，导致在电池失效前限制充放电次数。

似乎没有在所有条件下(新或旧，热或冷，全部或部分放电)都适用的NiMH电池的-dV/dt