电池充电方式和现代电池技术

    内容摘要：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。

    概述

    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。

    电池的定义

    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。

    电池性能的测试

    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

    表1. 常用可充电电池化学成分的能量密度

CELL TYPE NOMINAL
VOLTAGE (V) STORAGE
DENSITY (Wh/kg) Lead acid 2.1 30 Nickel cadmium (NiCd) 1.2 40 to 60 Nickel metal hydride (NiMH) 1.2 60 to 80 Circular lithium ion (Li+) 3.6 90 to 100 Prismatic lithium ion 3.6 100 to 110 Polymer lithium ion 3.6 130 to 150

表2. 常用可充电电池化学成分的特性

Attribute Nickel Cadmium Nickel Metal Hydride Lithium Ion Energy density Low Medium High Energy storage Low Medium Medium Cycle life High High High Cost Low Medium High Safety High High Medium Environment Low Medium Medium

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

    电池充电

    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。

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    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

ChEMIstry Charging Method Feature No. of Terminals Charge Time(hours) Charge Current (CmA) Trickle Current(CmA) Charge Level at End of Charge (%) Figure Reference Nickel Based (NiCl and NiMH) Semi-constant current charging Most typical system; simple and low cost 2 15 0,1 ---- ---- 1 Timer-controlLED charging More reliable than semiconstant current system; relatively simple and low cost 2 6 to 8 0,2 1/20-1/30 Approx. 120 2 -V cut-off charging Most popular; more complex 2 1 to 2 0,5-1 1/20-1/30 Approx. 110 to 120 3 T/t cut-off charging More costly, but overcharge CAN be avoided enabling longer life cycle that the others 3 or 4 1 to 2 >1 1/20-1/30 Approx. 100 to 110 4 Trickle-charging Simple and low cost; applicable for continuous long charging 2 15 0,1 ---- ---- 5 Lithium Based Constant 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. 2 1 to 3 1 ---- Approx 100 6

表4. 不同化学成分电池充满的判据

Chemistry NiCl NiMH Li+ Charging Constant current Constant current Constant current/constant voltage Full charge detect -

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V/dt and/or T/dt

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