鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1273次 | 2020年03月18日
充電電池和單機(jī)快速充電器介紹
概述
充電電池已經(jīng)成為當(dāng)今電子產(chǎn)品的一種標(biāo)準(zhǔn)電源，特別是便攜設(shè)備：筆記本電腦、掌上導(dǎo)航儀、手機(jī)等。這些產(chǎn)品要消耗的功率越來越大，而可充電電池容量的上升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足它們的需求。功耗上升的重要原因是設(shè)備功能的增強(qiáng)，例如：數(shù)碼相機(jī)與手機(jī)的功能整合，筆記本電腦更高的運(yùn)算速度以及大尺寸屏幕的需求等等。便攜設(shè)備功耗的增大使得用可充電電池要比標(biāo)準(zhǔn)電池更便宜、更環(huán)保。
本文介紹了可充電電池的化學(xué)成分；同時(shí)說明了各種充電電池的典型特點(diǎn)和選擇電池類型時(shí)要重點(diǎn)注意的事項(xiàng)。另外還討論了在不使用微控制器或使用電源浪涌保護(hù)的主適配器的情況下如何構(gòu)建單機(jī)結(jié)構(gòu)，安全、快速地對鎳氫和鋰離子充電電池進(jìn)行充電。
可充電電池類型
20世紀(jì)80年代的便攜設(shè)備，如數(shù)字無繩電話、隨身聽和電動剃須刀等，重要由鎳鎘(NiCd)電池供電。到了90年代后期，鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li-Ion)電池逐漸進(jìn)入市場并開始流行因?yàn)閮r(jià)格比鎳氫和鋰離子電池便宜，鎳鎘電池在低端應(yīng)用中十分普遍。鎳鎘電池可供應(yīng)最高的放電電流，適合短時(shí)間內(nèi)要大功率輸出的應(yīng)用。
另一方面，鎳鎘電池曾經(jīng)被所謂的記憶效應(yīng)困擾(現(xiàn)在的鎳鎘電池很少考慮這個(gè)因素)，使電池容量降低。假如鎳鎘電池在未完全放電的情況下再充電，一些活性物質(zhì)會累積并且開始結(jié)晶(在陽極有100微米的鎘累積層)，通過化學(xué)反應(yīng)這層物質(zhì)會自行消失(一塊全新電池的陽極大約有1微米厚度的鎘結(jié)晶)。
出現(xiàn)記憶效應(yīng)會導(dǎo)致電池容量越來越小，端電壓越來越低，使得電池到達(dá)最低可用端電壓(關(guān)斷點(diǎn))的時(shí)間比預(yù)期的早許多，如圖1所示。鎳鎘電池的另一個(gè)缺點(diǎn)是它的活性物質(zhì)中含有有毒的鎘。所以，歐洲法規(guī)2000/53/EG在2005年十二月31號后禁止銷售鎳鎘充電電池。
鎳氫電池比鎳鎘電池更環(huán)保，但是價(jià)格更貴。鎳氫電池的放電電流略小，但受惰性效應(yīng)的影響。惰性效應(yīng)是比鎳鎘電池記憶效應(yīng)稍輕的一種現(xiàn)象。惰性效應(yīng)是由于鎳的結(jié)晶導(dǎo)致的。惰性效應(yīng)和記憶效應(yīng)相同，導(dǎo)致無法完全使用可充電電池的全部容量，但都可以通過使用帶有放電功能的充電器來防止。
表1給出了各種類型電池的重要特性。
單機(jī)鎳氫電池快速充電器
雖然很多人更偏愛鋰離子電池，鎳氫電池的使用依然很流行。因?yàn)殒嚉潆姵乇蠕囯x子電池便宜很多，所以在Mp3播放器、閃光燈配件、車燈等設(shè)備中經(jīng)常能看到標(biāo)準(zhǔn)的AA和AAA鎳氫電池。
一塊可充電鎳氫電池的溫度和端電壓隨著電池的充電逐步上升，在電池完全充滿后開始下降(圖2)。所以，鎳氫電池充電器的重要任務(wù)是檢測到這個(gè)突變點(diǎn)并中斷充電，或者從快速充電切換到涓流充電。另外，在充電過程中對溫度和電壓進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控可以供應(yīng)系統(tǒng)的安全性。
DS2711/DS2712充電器具備上述功能。另外，它們可以單機(jī)工作，不要微控制器或微處理器監(jiān)控。該系列產(chǎn)品是專門為單節(jié)AA或AAA可充電電池設(shè)計(jì)的，同時(shí)也適用于串聯(lián)或并聯(lián)的兩節(jié)電池。DS2711采用線性控制結(jié)構(gòu)，DS2712采用開關(guān)控制結(jié)構(gòu)。為了最大限度地延長工作時(shí)間、節(jié)約電池能量，這些充電器有4種充電模式：預(yù)充電、快速充電、浮充和涓流充電。在浮充模式下，電池充滿后充電速率被切換到一個(gè)比較低的速率(關(guān)于DS2711而言是25%)。
除監(jiān)控功能外，DS2711/DS2712充電器還帶有內(nèi)部計(jì)時(shí)器，通過連接到TMR引腳的外部電阻設(shè)定最大充電時(shí)間，可將快速充電時(shí)間設(shè)置在0.5到10小時(shí)。浮充時(shí)間已經(jīng)設(shè)定為最大充電時(shí)間的一半(0.25到5小時(shí))。根據(jù)所要求的充電時(shí)間(TAppROX)，由下式計(jì)算電阻值：
R=1000TAppROX/1.5(Eq.1)
快速充電模式下，假如超過最大充電時(shí)間，充電器會從快速充電模式切換到浮充模式，同時(shí)復(fù)位計(jì)時(shí)器。計(jì)時(shí)器開始為浮充過程計(jì)時(shí)，假如達(dá)到預(yù)定的浮充時(shí)間，充電器將從浮充模式切換到涓流模式(圖3)。
為2個(gè)串聯(lián)的鎳氫充電電池充電Vp1、Vp2用于監(jiān)視電壓，THM1、THM2配合熱敏電阻用來監(jiān)測電池的溫度。TMR(計(jì)時(shí)器)和RSNS(檢流電阻)用于設(shè)定充電時(shí)間和充電電流。DS2711/DS2712的另外一個(gè)特性是可以檢測電池充電故障和堿性原電池。假如發(fā)生這些情況，充電器會自行關(guān)機(jī)。
如何檢測堿性電池
全新的鎳氫AA電池的典型內(nèi)阻在30mΩ到100mΩ，堿性電池的內(nèi)阻一般在200mΩ到300mΩ(根據(jù)充電狀態(tài)，最高可到700mΩ)，出現(xiàn)故障的充電電池會有很高的內(nèi)阻。DS2711/DS2712通過檢測到的電池電壓(Vp1和Vp2)和已設(shè)定的充電電流可以計(jì)算出待充電電池的內(nèi)阻。
CTST引腳(用于電池測試、設(shè)置門限)控制電池內(nèi)阻的測量。VCTST是充電過程中的電池電壓減去無充電電流時(shí)的開路電池電壓(OCV)后的差值。這個(gè)值等于充電電流乘以電池內(nèi)阻的乘積。假如檢測引腳(Vp1、Vp2和VN1)與電池沒有采用Kelvin連接，引線電阻也將計(jì)入測量值，影響VCTST。計(jì)算外部電阻RCTST的公式為：
RCTST=8000[V2/A]/VCTST,其中VCTST=ICharge*RCELL(Eq.2)
例如，當(dāng)以C/2速率(1.1A)為2200mAhNiMH電池充電時(shí)，選擇RCELL=150mΩ為電池內(nèi)阻門限時(shí),VCTST將為:VCTEST=ICHARGE*RCELL=1.1A*150mΩ=0.165V或:RCTST=8000[V2/A]/0.165V=48,485Ω
(最近的標(biāo)準(zhǔn)1%阻值為48.7kΩ)假如超過VCTST門限(本例中>0.165V)，表明電池內(nèi)阻高于150mΩ，芯片會供應(yīng)邏輯指示或出錯(cuò)信息指示(LED1、LED2)，同時(shí)停止充電過程(圖4)。
單機(jī)鋰離子電池快速充電器
因?yàn)椴灰獧z測電壓變化率(dV/dt)，鋰離子電池充電器比鎳氫電池簡單。同時(shí)，由于鋰離子電池對過充非常敏感，充電器要一個(gè)精確的4.2V±50mV電源保證恒功率充電。至于鎳氫電池，充電器不僅要電壓監(jiān)測，還要其它監(jiān)控功能(溫度、計(jì)時(shí)等)。
單機(jī)鋰離子電池充電器MAX8601內(nèi)置所謂的Vbatt可控電壓源，它可以在+25°C供應(yīng)4.2V±0.021V，或在40°C<T<85°C供應(yīng)4.2V±0.034V的精度。當(dāng)通過Vbatt連接給鋰離子電池充電時(shí)，充電器可以保持恒定輸出功率(圖5)，外部電阻(接SETI引腳)和外部電容(接CT引腳)可以設(shè)定充電電流和內(nèi)部計(jì)時(shí)。該充電器還通過一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電阻來監(jiān)控電池的溫度。
MAX8601充電器的重要優(yōu)點(diǎn)是可以通過外部適配器或USB端口給電池充電(圖6)。USB端口根據(jù)USEL引腳的設(shè)置可以供應(yīng)100mA、500mA電流(典型USB輸出電流)。該芯片會自動選擇外部電源(主適配器或USB)。假如兩個(gè)電源同時(shí)存在，它會選擇主適配器進(jìn)行充電。任何一個(gè)電源都必須能夠供應(yīng)最小4.5V的電壓。
MAX8601具有低電池電壓預(yù)充、限壓/限流快速充電和浮充模式等控制算法，優(yōu)化了鋰離子電池充電。器件還有上電復(fù)位以及電池過壓、高溫/低溫檢測和充電時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測功能。
結(jié)論
DS2711/DS2712和MAX8601都是單機(jī)充電器，它們具有多種監(jiān)控功能(電壓、電流、溫度、計(jì)時(shí)等)，既不要微控制器監(jiān)控，也不要電源浪涌保護(hù)，而且供應(yīng)清晰、簡單的外部切換。
常見問題及解答
1.能否用鎳氫電池充電器給鎳鎘電池充電？
答：勉強(qiáng)可以。由于不同的可再充電電池具有不同的關(guān)斷特性，鎳鎘電池在dV/dt=0時(shí)關(guān)斷，而鎳氫電池在dV/dt<0時(shí)關(guān)斷。
2.在同一個(gè)設(shè)備中能否安裝不同容量的可再充電電池，或者新、舊電池混合使用？
答：可以，但是不推薦。因?yàn)樵O(shè)備的性能將會由最弱的電池決定。
3.什么場合不適合使用可再充電電池？
答：不要在諸如遙控和煙霧報(bào)警等應(yīng)用中使用充電電池。因?yàn)檫@些應(yīng)用的電源要求比較低，而且設(shè)備不經(jīng)常使用?？稍俪潆婋姵乇绕胀姵鼐哂懈叩淖苑烹娐?。譬如，鎳氫電池每天損失1%的電量。因而它的工作時(shí)間不太長。
