可充電電池技術(shù)和充電方法

2004年9月A版

　　電池的應(yīng)用從來沒有像現(xiàn)在這么廣泛。電池正在變得更小、更輕，在單位容積內(nèi)可容納更多能量。電池發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力來自便攜裝置(移動(dòng)電話，膝上電腦，攝錄像機(jī)，MP3播放機(jī))的發(fā)展。

　　本文概述充電方法和現(xiàn)代電池技術(shù)，以便更好地了解便攜裝置所用的電池。這包括鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li+)電池化學(xué)性質(zhì)的描述。本文也描述了單節(jié)鋰離子和鋰離子聚合物電池的保護(hù)器件。

電池定義

　　電池稱之為能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，這也包括續(xù)流和時(shí)鐘源。從現(xiàn)代技術(shù)的角度看，電池通常是產(chǎn)生電能的自儲(chǔ)化學(xué)系統(tǒng)的便攜裝置。

　　一次性電池(稱之為不可充電或初級(jí)電池)從恒定變化電池的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。一次性電池的放電引起電池化學(xué)成分的永久性和不可逆變化。反之，可充電電池稱之為二次電池，二次電池由充電器充電而在應(yīng)用中放電。因此，二次電池可以多次產(chǎn)生能量和多次儲(chǔ)存能量。

　　充電或放電電流(安培)通常表示為額定容量的倍數(shù)(稱之為C率)。例如，額定為1安培一小時(shí)(1Ah)的電池，C/10放電電流為1Ah/10=100mA。電池的額定容量(Ah或mAh)是在特定條件下完全充電時(shí)所能儲(chǔ)存(產(chǎn)生)的電量。因此，電池的總能量是容量乘電壓，其量度為瓦特一小時(shí)。

電池性能測(cè)試

　　電池的化學(xué)成分和設(shè)計(jì)一起限定電池所能提供的電流。若沒有限制性能的實(shí)際因素，電池可產(chǎn)生無窮大的電流。限制電池性能的主要因素是化學(xué)成分的反應(yīng)率、電池設(shè)計(jì)和發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域。某些電池具有產(chǎn)生大電流的能力。例如，鎳鎘電池所產(chǎn)生的電流大到足以熔化金屬和引起火災(zāi)。其他電池只能產(chǎn)生弱電流。

　　電流中所有化學(xué)和機(jī)械因素的凈效應(yīng)可表示為單一數(shù)學(xué)因數(shù)一等效內(nèi)阻。降低內(nèi)阻可得到較大的電流。

　　沒有一個(gè)電池能永久地儲(chǔ)存能量。不可避免地，電池化學(xué)反應(yīng)能力逐漸下降導(dǎo)致電池儲(chǔ)存電荷減少。電池容量和重量(或尺寸)之比稱之為電池的存儲(chǔ)密度。在給定尺寸和重量的電池中，高存儲(chǔ)密度意味著可儲(chǔ)存更多能量。

　　表1給出個(gè)人計(jì)算機(jī)和蜂窩電話所用主要化學(xué)電池的額定電壓和存儲(chǔ)密度(用每千克重量的瓦特一小時(shí)或Wh/Kg)表示。

　　表2列出幾種電池的主要特性。

　　若一次性和二次電池都能達(dá)到同一目的，為什么總是不選擇二次電池呢？這是因?yàn)槎坞姵赜邢铝腥秉c(diǎn)：

電池充電

　　一個(gè)新的可充電電池或電池組(一個(gè)電池組中有幾個(gè)電池)不能保證完全充滿電。事實(shí)上它們很可能幾乎被放電。因此，第一件要做的事情是根據(jù)制造商提供的化學(xué)成分相關(guān)指南，對(duì)電池/電池組進(jìn)行充電。

　　每次充電操作根據(jù)電池的化學(xué)成分依序加電壓和電流。因此，充電器和充電算法滿足電池化學(xué)成分的不同要求。電池充電經(jīng)常遇到的術(shù)語是：用于NiCl 和NiMH電池的恒流(CC)和用于鋰離子和鋰聚合物電池的恒流/恒壓(CC/CV)(見圖1-6)。

　　表3列出各種充電方法。

鎳鎘電池充電

　　加恒流(0.05C-1C)對(duì)NiCd電池充電。某些低成本充電器借助絕對(duì)溫度終止充電。雖然簡(jiǎn)單、成本較低，但這種充電終止方法是不精確的。較好的方法是用檢測(cè)電壓跌落的方法終止充電。-△V 方法對(duì)于充電速率為0.5C或更高速率的NiCd電池是最有效的。-△V充電終止檢測(cè)應(yīng)該與電池溫度測(cè)量相結(jié)合，因?yàn)樽冑|(zhì)電池和失配電池可降低△V。

　　可以用檢測(cè)溫度增加速率(dT/dt)實(shí)現(xiàn)更精確的滿充檢測(cè)，這種充電檢測(cè)方法比固定溫度終止方法更好。基于dT/dt和-△V終止組合方法的充電終止方法具有較長(zhǎng)的壽命周期，可避免過充電。

　　快速充電可改善充電效率。在1C效率接近1.1(91%)，而空載電池的充電時(shí)間，1小時(shí)多一點(diǎn)，當(dāng)以0.1C充電時(shí)，效率降到1.4(71%)，充電時(shí)間為14小時(shí)左右。

　　因?yàn)镹iCd電池的電荷接收度接近100%，所以在開始70%充電期間吸收幾乎所有的能量，而電池保持微冷。超快速充電器利用該特點(diǎn)，在幾分鐘內(nèi)把電池充電到70%電平，所加電流等于幾倍的C率，而無熱量產(chǎn)生。達(dá)到70%電平之后，電池以較低速率繼續(xù)充電，直到電池充滿電為止。最后，加0.02~0.1C涓流結(jié)束電池充電。

鎳氫電池充電

　　盡管NiMH充電器與NiCd充電器類似，但是，NiMH充電器采用dT/dt方法，這是NiMH電池充電的最好方法。NiMH電池的充電結(jié)束電壓下降比較小，而對(duì)小充電率(低于0.5C，這取決于溫度)可以完全無電壓下降。

　　新的NiMH電池在充電周期內(nèi)過早地出現(xiàn)不可靠的峰值，這會(huì)導(dǎo)致充電器過早結(jié)束充電。此外，用-△V檢測(cè)充電結(jié)束能保護(hù)過充電，過充電本身又在電池失效前限制充電/放電的次數(shù)，在所有條件(新或舊，熱或冷，全部或部分放電)下似乎沒有可用的-dV/dt算法能使NiMH電池充電更有效。基于此原因，不能用NiCd充電器為NiMH電池充電，除非它是用dT/dt方法終止充電。因?yàn)镹iMH電池不能吸收過充電，所以，涓流充電必須比NiCd小(0.05C左右)。

　　慢充電NiMH電池比較困難，這是與0.1C-0.3C范圍C率有關(guān)的電壓和溫度分布不能提供足夠精確充滿電狀態(tài)的指示。因此，慢充電器必須依靠定時(shí)器來指示何時(shí)充電周期應(yīng)該結(jié)束。所以，為了使NiMH電池充滿電，應(yīng)該施加接近1C(或根據(jù)電池制造商標(biāo)定的C率)的快速充電，同時(shí)監(jiān)控電壓(△V=0)和溫度(dT/dt)來確定何時(shí)充電應(yīng)該結(jié)束。

鋰離子和鋰聚合物電池充電

　　其實(shí)，鎳基電池的充電器是限流型的，而鋰離子電池充電器是限制電壓和電流。第1代鋰離子電池充電電壓限制在4.10V/電池。較高的電壓意味著較大的容量，通過增加化學(xué)添加劑實(shí)現(xiàn)了4.20V電池電壓?，F(xiàn)代鋰離子電池一般充電到4.20V(容差