版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、可充电电池:原理,隐患,及安全充电方法供稿:美信摘要: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
2、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
3、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
4、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 TYPE Lead acidNickel cadmium (NiCdNOMINAL STORAGEVOLTAGE (VDENSITY (Wh/kg2.1 1.230 40 to 60 60 to 80 90 to 100 100 to 110 130 to 150Nickel metal hydride (NiMH 1.2 Circular lithium ion (Li+ 3.6 Prismatic lithium ion Polymer lithium ion3.6 3.6表2
5、. 常用可充电电池化学成分的特性 AttributeNickel Metal HydrideLithium IonMedium Medium High Medium High MediumHigh Medium High High Medium MediumEnergy density Low Energy storage Low Cycle life Cost Safety EnvironmentHigh Low High Low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
6、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
7、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Charg eChargNo. Charge e Trickle atTermin Time(houCurre Current(RefereEndals rs nt CmA nceof(CmACharg 150,1 - 1Chemis Charging try MethodFeatureNickel Semi-consta Most typical Based nt current system; simple 2 (NiCl chargi
8、ng and low cost and NiMHTimer-contr More reliable 2 olled than charging semiconstant6 to 8 0,2 1/20-1/3Appro 20 x.120current system; relativelysimple and low costAppro x.1/20-1/31 to 2 0,5-1110 3to 120Appro x.1/20-1/3100 4to 110-V cut-off Most popular;2charging more complexT/t cut-off chargingMore c
9、ostly, but overcharge can be avoided3 or 41 to 2 >1enabling longer life cycle that the othersSimple and low cost;Trickle-chaapplicable for 2rgingcontinuous long chargingNot recommended for the main charge-control system forConstant Ni-Cd /NiMH current-con batteries.Lithiustant Prevailing 2m Based
10、voltage charge method (CC-CV for Li+ and Li-Polymerbatteries.Rela tively complex charger design.表4. 不同化学成分电池充满的判据 Chemistry ChargingNiClNiMH15 0,1 - - 51 to 3 1 -Appro6 x 100Li+ Constant voltagecurrent/constantConstant currentConstant currentFull charge -V/dt detect T/dt and/or V/dt = 0 and/or Ichar
11、ge = eg 0.03C and/orT/dt 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。镍镉电池充电在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,-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V。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T/dt和-V组合的充电终止方法可
12、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。镍氢电池充电尽管NiMH 充电器与NiCd 充电器类似,但是,NiMH充电器采用T/d
13、t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-V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充电算法。因此,除非NiCd 充电器使用了dT/dt方法终止充电,否则不能用NiCd 充电器为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
14、.05C。NiMH 电池的慢充比较困难。因为以0.1C 至0.3C 的速率充电时,电压和温度的变化不能准确指示电池已充满。因此,慢速充电器必须依靠定时器来决定何时结束充电。以此,为保证NiMH 电池充满,应以接近1C 的速率(或电池制造商指定速率快速充电,同时监控电压(V = 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镍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4.10V/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±0.05V/节
15、。当端电压达到电压阈值并且充电电流降至0.03C (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%。 图6. 恒流、恒压充电,主要用于蜂窝电话,无线设备和笔记本电脑。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压峰值,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。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
16、用锂离子电池组通常包括象DS2720这样的保护电路(图7。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。 图7. DS2720锂电池保护IC 的典型应用电路DS2720 IC 使用外部开关元件,如低成本n 沟道功率MOSFET,来控制充电和放电电流。内部9V 的电荷泵为外部n 沟道MOSFET 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。 图8. 受DS2720高端模式控制的保护FET 电阻小于传统低端模式FET 电阻。受DS2720控制的
17、FET 电阻实际上随电池电压下降而降低。DS2720稳压的高端n-FET 驱动,即便在放电快结束时,都能保证低开关阻值。这将延长便携设备运行时间。 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MOSFET 集成电池选择功能 8字节可锁定用户EEPROM 64位唯一电子序列号 低功耗:工作15µA,静态1µA 提供8引脚MSPO 微型封装 1-Wire®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
18、,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件(图9。 图9. 受DS2720保护的锂离子电池波形DS2720为电池信息存储提供两类存储器,及EEPROM 和可锁定EEPROM。EEPROM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EEPROM 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 检测的电池电压超过过压阈值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OV 置位。在过压期间,
19、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FET 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抗负载的移除
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 挖机临时租赁合同
- 拍卖裁定新权利人对转租合同的追认
- 2024年版桩基工程旋挖作业专业分包合同版B版
- 2024年私人围栏建造合同
- 素描室内写生课程设计
- 相机挂件课程设计
- 英语语言学课程设计
- 航空专业票务课程设计
- (中职中专)贸法律与案例教学设计全书电子教案整本书教案1-6章全
- 电信课程设计论文
- 餐饮店购销合同
- 文化资源数字化技术有哪些
- 2023年杭州联合银行校园招聘笔试历年高频考点试题答案详解
- 灌装轧盖机和供瓶机设备验证方案
- 《国家中药饮片炮制规范》全文
- 《钴鉧潭西小丘记》教学设计(部级优课)语文教案
- 人教版五年级下册数学讲义
- 安全工器具-变压器绝缘油课件
- 瓦楞纸箱工艺流程演示文稿
- 神通数据库管理系统v7.0企业版-3概要设计说明书
- 安置房项目二次结构砖砌体工程专项施工方案培训资料
评论
0/150
提交评论