电池的充电、放电、性能测试

1、电池的充电、放电、性能测试2008-08-24 13:18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E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，乂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，乂叫二次电池， 可在应用中放电，也可山充电器充电。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lAh/10二100

2、mA）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丿瓦单位为瓦时。电池性能的测试电池的化学成分和设汁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 池设讣，以及进行化学反应的区域。某些电池本身具冇产生大电流的能力。如银 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

3、存 电量减少。电池容量与亜量（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。若一次和二次电池都能达到同样口的，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（一个电池组中有儿个电池）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

4、iCd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),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。镰镉电池充电在0. 05° C至大于1。C的范围内对iCd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0.5。C或更高 的iCd电池，-V方法是最有效的。-V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Vo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

5、更好。基于T/dt和-V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1° C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0.1° C充电时，效率便下降到 1.4(71%),充电时间为14小时左右。因为iCd电池对电能接收程度接近100%,所以儿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，在儿分钟内将电 池充到70%,以儿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. 02° C至0.1。C的涓流结束充

6、电。镰氢电池充电尽管&MH充电器与iCd充电器类似，但是，NiMH充电器采用T/dt方法终【匕充 电，这是到I前NiMH电池充电的最好办法。&MH电池充电结束时电压下降比较 小，而对低充电速率(低于0.5。C,这取于温度)可能不出现电压下降。新的&MH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-V检测结束充电儿乎肯定会出现过充，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)都适用的电池 的-dV/dt充电算法。因此，除非NiCd充电器使用T dT/dt方法终止充电,否则 不能用NiCd充电器为

7、NiMH电池充电。而且，因为NiMH电池不能很好的吸收过 充，所以，涓流充电电流比NiCd电池小(约0. 05° C)oNiMH电池的慢充比较困难。因为以0.1° C至0. 3° C的速率充电时，电圧和温 度的变化不能准确指示电池已充满。因此，慢速充电器必须依幕定时器来决定何 时结束充电。以此，为保证电池充满，应以接近1° C的速率(或电池制造 商指定速率)快速充电，同时监控电压(V二0)和温度(dT/dt)来确定何时结束充电。锂离子和锂聚合物电池充电银基电池充电器限制电流，而锂离子电池充电器则需同时限制电压和电流。最初 的锂离子电池充电电压限制在4.

8、10V/节。电压越高意味着容量越大，现在可以 通过增加化学添加剂实现4. 20V电池电压。当前的锂离子电池一般充电到4. 20V, 容差为±005V/节。当端电压达到电压阈值并且充电电流降至0. 03° C（约Icharge的3%,参考图6） 时表明电池已充满。多数充电器达到满充的时间约为3小时。尽管某些线性充电 器声称Li+电池充电只需约一小时，但这类充电器通常在电池端电压达到4. 2V 时就终止充电，这种方法只能将电池充到其容量的70%o较高的充电电流并不会使充电时间缩短太多。较高的充电电流能较快达到电圧峰 值，但是浮充需要较长时间。通常，浮充时间是初始充电时间的两倍。

9、锂离子电池保护因为Li+电池过充或过放可能会导致爆炸并造成人员伤害，所以使用这类电池 时，安全是主要关心的问题。因此，商用锂离子电池组通常包括象DS2720这样 的保护电路（图7） o DS2720提供了可充电Li+电池所需的所有保护功能，如：在 充电时保护电池、防止电路过流、通过限制电池的放电电压延长电池寿命。DS2720IC使用外部开关元件，如低成本n沟道功率M0SFET,来控制充电和放电 电流。内部9V的电荷泵为外部n沟道M0SFET提供高端驱动，与常见使用相同FET的低端保护电路相比具有更低的导通电阻。FET导通电阻实际上随电池放电 而减少（见图8）。DS2720稳压的高端n-FET驱

10、动，即便在放电快结束时，都能保证低开关阻值。 这将延长便携i殳备运行时间。监控电池过压/欠压，过流和过热；稳压电荷泵支 持高端模式n型沟道M0SFET；集成电池选择功能；8字节可锁定用户EEPR0M： 64位唯一电子序列号；低功耗：工作15MA,静态1PA；提供8引脚MSP0微型封 装；IFire数据通讯接口。DS2720允许用户通过数据接口或专用输入控制外部FET,减少了可充电Li+电池 系统中额外的功率开关控制。DS2720通过其1-Wire接口提供主机系统对状态和 控制寄存器、测量寄存器，以及通用数据存储器的读写访问。每个器件都有一个 工厂编程的64位唯一地址，允许主机系统单独寻址每个器

11、件（图9） oDS2720为电池信息存储提供两类存储器，及EEPR0M和可锁定EEPROM。EEPR0M 是真正的非易失（NV）存储器，用来保存重要的电池数据，不会因电池过度放电、 偶然短路或ESD事件丢失数据。可锁定EEPR0M在锁定后相当于只读存储器（ROM）, 用于更安全地保存不再改变的电池数据。保护模式过压 如果在VDD检测的电池电圧超过过压阈值VOV时间大于过压延迟时间 tOVD,则DS2720关闭充电FET,并将保护寄存器的0V置位。在过压期间，放电 通路保持开放。除非被另外保护条件锁定，当电池电压降到充电使能阈值VCE 以下或由于放电导致VDD-VPLS>VOC时，充电FE

12、T被重新使能。欠压 如果在VDD检测的电池电压低于欠压阈值VUV时间大于欠压延迟时间 tUVD,则DS2720关闭充电和放电FET,并将保护寄存器的UV置位，使其进入休 眠模式。当电池电压升到VUV以上和连接充电器后，IC打开充电和放电FET。短路 如果在VDD检测的电池电压低于放电阈值VSC时间达到延迟时间tSCD,则 DS2720关闭充电和放电FET,并将保护寄存器的DOC置位。除非PLS上的电压升 至大于VDD-VOC,否则充电和放电FET不会导通。DS2720提供流经内部VDD至 PLS电阻RTST的测试电流，当VDD升至大于VSC时上拉PLS。DS2720利用此测 试电流检测有害低阻

13、抗负载的移除。另外，测试电流还提供了流经RTST, III PLS 到VDD的恢复性充电通路。过流 若加在保护FET的电压(VDD-VPLS)大于VOC的时间超过了 tOCD,则DS2720 关断外部充电和放电FET,并将保护寄存器DOC置位。直到PLS上的电压升至大 于VDD-VOC时电路才会导通。DS2720提供流经内部VDD至PLS电阻RTST的测试 电流来检测有害低阻抗负载的移除。过热 若DS2720温度超过TMAX,则立即关断外部充电和放电FET。在以下两个条 件满足前FET不会导通：电池温度降到低于TMAX,主机将0T复位。充电温度应尽量在室温下充电。偉基电池应在10° C至30° C(50° F至86° F) 之间快速充电。低于5° C(41° F)和高于45° C(113° F)时線基电池的充电能力 急剧下降。锂离子电池在整个温度范围内呈现良好的充电性能，但低于5