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可充电电池技术和充电方法

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标签: 电池

电池

可充电电池技术和充电方法可充电电池技术和充电方法可充电电池技术和充电方法

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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½,在单½容积内
可容纳更多½量。电池发展的主要驱动力来自便携装½(移动电话,膝上电脑,
摄½像机,MP3 播放机)的发展。
本文概述充电方法和现代电池技术,以便更½地了解便携装½所用的电池。这包
括镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li+)电池化学性质的描述。本文也描述了
单节锂离子和锂离子聚合物电池的保护器件。
电池定义
电池称之为½量储存系统,这也包括续流和时钟源。从现代技术的角度看,电池
通常是产生电½的自储化学系统的便携装½。
一次性电池(称之为不可充电或初级电池)从恒定变化电池的化学反应产生电½。
一次性电池的放电引起电池化学成分的永久性和不可逆变化。反之,可充电电池
称之为二次电池,二次电池由充电器充电而在应用中放电。因此,二次电池可以
多次产生½量和多次储存½量。
充电或放电电流(安培)通常表示为额定容量的倍数(称之为
C
率)。例如,额定为
1
安培一小时(1Ah)的电池,
C/10
放电电流为
1Ah/10=100mA。
电池的额定容量(A
h
mAh)是在特定条件下完全充电时所½储存(产生)的电量。因此,电池的总½
量是容量乘电压,其量度为瓦特一小时。
1
半恒流充电(主要用在电动剃刀,数字无绳电话和玩具等应用中)
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2
定时器控制的充电(主要用在笔记本电脑、
数据终端、
无线设备和蜂窝电话
中)
3 -△V
截止电流(用在笔记本电脑、数据终端、摄½像机、无线设备和蜂窝
电话中)
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4 -dT/dt
终止充电(应用在电动工具和电气工具中)
电池性½测试
电池的化学成分和设计一起限定电池所½提供的电流。
若没有限制性½的实际因
素,电池可产生无穷大的电流。限制电池性½的主要因素是化学成分的反应率、
电池设计和发生反应的区域。某些电池具有产生大电流的½力。例如,镍镉电池
所产生的电流大到足以熔化金属和引起火灾。其他电池只½产生弱电流。
电流中所有化学和机械因素的净效应可表示为单一数学因数一等效内阻。
降½内
阻可得到较大的电流。
没有一个电池½永久地储存½量。不可避免地,电池化学反应½力逐渐下降导致
电池储存电荷减少。电池容量和重量(或尺寸)之比称之为电池的存储密度。在给
定尺寸和重量的电池中,高存储密度意味着可储存更多½量。
1
给出个人计算机和蜂窝电话所用主要化学电池的额定电压和存储密度(用每
千克重量的瓦特一小时或
Wh/Kg)表示。
2
列出几种电池的主要特性。
若一次性和二次电池½½达到同一目的,
为什么总是不选择二次电池呢?这是因
为二次电池有下列缺点:
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½保证完全充满电。
事实上它们很可½几乎被放电。因此,第一件要做的事情是根据制造商提供的化
学成分相关指南,对电池/电池组进行充电。
每次充电操½根据电池的化学成分依序加电压和电流。
因此,充电器和充电算法
满足电池化学成分的不同要求。电池充电经常遇到的术语是:用于
NiCl
Ni
MH
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)(见图
1-
6)。
3
列出各种充电方法。
镍镉电池充电
加恒流(0.05C-1C)对
NiCd
电池充电。某些½成本充电器借助绝对温度终止充电。
½然简单、成本较½,½这种充电终止方法是不精确的。较½的方法是用检测电
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压跌½的方法终止充电。-△V 方法对于充电速率为
0.5C
或更高速率的
NiCd
池是最有效的。-△V 充电终止检测应该与电池温度测量相结合,因为变质电池
和失配电池可降½△V。
可以用检测温度增加速率(dT/dt)实现更精确的满充检测,
这种充电检测方法比固
定温度终止方法更½。
基于
dT/dt
和-△V 终止组合方法的充电终止方法具有较长
的寿½周期,可避免过充电。
快速充电可改善充电效率。在
1C
效率接近
1.1(91%),而空½½电池的充电时间,
1
小时多一点,½以
0.1C
充电时,效率降到
1.4(71%),充电时间为 14
小时左右。
因为
NiCd
电池的电荷接收度接近
100%,所以在开始 70%充电期间吸收几乎所
有的½量,而电池保持微冷。超快速充电器利用该特点,在几分钟内把电池充电
70%电平,所加电流等于几倍的 C
率,而无热量产生。达到
70%电平之后,
电池以较½速率继续充电,直到电池充满电为止。最后,加
0.02~0.1C
涓流结束
电池充电。
镍氢电池充电
½管
NiMH
充电器与
NiCd
充电器类似,½是,NiMH 充电器采用
dT/dt
方法,
这是
NiMH
电池充电的最½方法。NiMH 电池的充电结束电压下降比较小,而对
小充电率(½于
0.5C,这取决于温度)可以完全无电压下降。
新的
NiMH
电池在充电周期内过早地出现不可靠的峰值,这会导致充电器过早
结束充电。此外,用-△V 检测充电结束½保护过充电,过充电本身又在电池失
效前限制充电/放电的次数,在所有条件(新或旧,热或冷,全部或部分放电)下似
乎没有可用的-dV/dt 算法½½
NiMH
电池充电更有效。基于此原因,不½用
Ni
Cd
充电器为
NiMH
电池充电,除非它是用
dT/dt
方法终止充电。因为
NiMH
池不½吸收过充电,所以,涓流充电必须比
NiCd
小(0.05C 左右)。
慢充电
NiMH
电池比较困难,
这是与
0.1C-0.3C
范围
C
率有关的电压和温度分布
不½提供足够精确充满电状态的指示。因此,慢充电器必须依靠定时器来指示½
时充电周期应该结束。所以,为了½
NiMH
电池充满电,应该½加接近
1C(或根
据电池制造商标定的
C
率)的快速充电,同时监控电压(△V=0)和温度(dT/dt)来确
定½时充电应该结束。
锂离子和锂聚合物电池充电
其实,镍基电池的充电器是限流型的,而锂离子电池充电器是限制电压和电流。
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代锂离子电池充电电压限制在
4.10V/电池。较高的电压意味着较大的容量,
通过增加化学添加剂实现了
4.20V
电池电压。现代锂离子电池一般充电到
4.20V
(容差±0.05V/电池)。
在充电端电压达到电压阀值和充电电流降到
0.03C(接近于 3%Ich,
见图
6)之后达
到满充电。
大多数充电器达到满充电的时间大约为
3
小时,而一些线性充电器声
称大约一小时充电
Li+电池。这种充电器通常在电池端电压达到 4.2V
时终止充
电。然而,这种规定只充电电池到其容量的
70%。
较大的充电电流不½½充电时间缩短太多。
较大的充电电流½较快地达到电压峰
值,½浮充需较长时间。凭经验,浮充是初始充电时间的两倍。
锂离子电池安全措½
因为过充电(或过放电)锂离子电池可½会导致电池爆炸和人员伤害,所以,在½
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,包含象
DS
2720
这样的保护电路(图
7),
DS2720
提供可充电
Li+电池应用所需的所有电池保
护功½:充电期间保护电池,防止超量电流流过的保护电路和限制电池耗½,电
平½电池寿½最长。
DS2720IC
用外部开关器件(如½成本
N
沟道功率
MOSFET)控制充电和放电电流
的路径。IC 内部
9V
电荷泵为外部
n
沟道
MOSFET
提供高端驱动,这比通用的
½端保护电路中相同功½的
FET
提供更½的导通电阻。FET 导通电阻随电池放
电而减少(见图
8)
5
涓流充电(主要用在应急灯、导向灯、存储器、备用设备中)
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