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)動力來自便攜裝置(移動電話，膝上電腦，攝錄像機，MP3播放機)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器件。

電池定義

　　電池稱之為能量儲存系統(tǒng)，這也包括續(xù)流和時鐘源。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(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所能儲存(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。

電池性能測試

　　電池的化學(xué)成分和設(shè)計一起限定電池所能提供的電流。若沒有限制性能的實際因素，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。

　　沒有一個電池能永久地儲存能量。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密度。在給定尺寸和重量的電池中，高存儲密度意味著可儲存更多能量。

　　表1給出個人計算機和蜂窩電話所用主要化學(xué)電池的額定電壓和存儲密度(用每千克重量的瓦特一小時或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到同一目的，為什么總是不選擇二次電池呢？這是因為二次電池有下列缺點：

電池充電

　　一個新的可充電電池或電池組(一個電池組中有幾個電池)不能保證完全充滿電。事實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，對電池/電池組進行充電。

　　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NiCd電池充電。某些低成本充電器借助絕對溫度終止充電。雖然簡單、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電壓跌落的方法終止充電。-△V 方法對于充電速率為0.5C或更高速率的NiCd電池是最有效的。-△V充電終止檢測應(yīng)該與電池溫度測量相結(jié)合，因為變質(zhì)電池和失配電池可降低△V。

　　可以用檢測溫度增加速率(dT/dt)實現(xiàn)更精確的滿充檢測，這種充電檢測方法比固定溫度終止方法更好?；赿T/dt和-△V終止組合方法的充電終止方法具有較長的壽命周期，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間，1小時多一點，當(dāng)以0.1C充電時，效率降到1.4(71%)，充電時間為14小時左右。

　　因為NiCd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，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，這會導(dǎo)致充電器過早結(jié)束充電。此外，用-△V檢測充電結(jié)束能保護過充電，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。因為NiMH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器來指示何時充電周期應(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，同時監(jiān)控電壓(△V=0)和溫度(dT/dt)來確定何時充電應(yīng)該結(jié)束。

鋰離子和鋰聚合物電池充電

　　其實，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