可充電電池和快速獨(dú)立充電器概述

本應(yīng)用筆記概述了鎳鎘（NiCd）、鎳氫（NiMH）和鋰離子（Li-Ion，Li+）可充電電池，討論了它們的特性，并解釋了如何在不使用監(jiān)控微控制器的情況下，在獨(dú)立配置中安全地快速充電鎳氫和鋰離子可充電電池。

介紹

可充電電池是當(dāng)今產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)電源，尤其是筆記本電腦、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等便攜式電器。即使功率水平在下降，可充電電池消耗的絕對(duì)電量也在上升。原因有幾個(gè)：功能的持續(xù)集成（例如帶有數(shù)碼相機(jī)的手機(jī)），筆記本電腦的更高計(jì)算速度以及大型彩色顯示器的便利性。由于便攜式設(shè)備的這種高功耗，使用可充電電池變得比使用標(biāo)準(zhǔn)電池更具成本效益。更重要的是可充電電池的環(huán)境效益。使用可充電電池極大地減少了傾倒到我們環(huán)境中的有害物質(zhì)的數(shù)量、材料的消耗以及生產(chǎn)等效的非可充電電池所需的能量。

本應(yīng)用筆記概述了可充電電池化學(xué)成分;它詳細(xì)介紹了它們的典型特性和選擇電池類型的重要考慮因素。然后，本文介紹如何在獨(dú)立配置中安全地快速充電鎳氫和鋰離子可充電電池，而無(wú)需使用微控制器或電源浪涌保護(hù)電源適配器。

可充電電池類型

1980 年代中期的便攜式電器（如 DECT 電話、盒式磁帶播放器和電動(dòng)剃須刀）主要由鎳鎘 （NiCd） 可充電電池供電。鎳氫（NiMH）和鋰離子（Li-Ion）可充電電池后來(lái)出現(xiàn)，在九十年代末出現(xiàn)在大眾市場(chǎng)上。

鎳鎘電池在低成本應(yīng)用中特別受歡迎，因?yàn)樗鼈儽孺嚉浜?a target="_blank">鋰離子電池便宜。由于NiCd提供最高水平的放電電流，因此它們也用于需要在短時(shí)間內(nèi)提供高功率的應(yīng)用。

另一方面，鎳鎘電池曾經(jīng)遭受所謂的記憶效應(yīng)（現(xiàn)代鎳鎘很少這樣做），這降低了電池容量。如果這種鎳鎘電池在完全放電之前充電，一些活性材料（陽(yáng)極鎘側(cè)高達(dá)100μm）仍未使用并開始結(jié)晶，從而從化學(xué)作用中去除自身。 （新電池陽(yáng)極處的鎘晶體厚度約為一微米。

由此產(chǎn)生的存儲(chǔ)器效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生容量較低、端電壓較低的電池，導(dǎo)致鎳鎘電池比預(yù)期更快地達(dá)到最小可用端電壓（關(guān)斷點(diǎn)）（圖 1）。鎳鎘電池的另一個(gè)缺點(diǎn)是其活性材料中的有毒鎘（Cd）。這些早期類型的鎳鎘電池在處理有缺陷的電池時(shí)被證明是一種生態(tài)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，歐洲法規(guī) 2000/53/EG 禁止銷售鎳鎘充電電池，自 31 年 2005 月 <> 日起生效。

鎳氫電池比鎳鎘電池更環(huán)保，但它們的成本也更高。它們的放電電流較低，但它們受到惰性效應(yīng)的影響，這是鎳鎘電池中記憶效應(yīng)的較弱版本。惰性效應(yīng)是由一部分鎳的結(jié)晶引起的。與記憶效應(yīng)一樣，惰性效應(yīng)會(huì)阻止充分利用可充電電池中的容量;但是，使用具有放電功能的充電器可以避免這兩種影響。

圖1.NiCd的記憶效應(yīng)和NiMH的懶惰效應(yīng)的比較。

鋰離子可充電電池更昂貴，但它們具有更高的能量密度，因此可以為給定尺寸提供更高的性能。反過(guò)來(lái)，這種能力使它們適用于小型、高度便攜的設(shè)備。

表1概述了每種電池類型的主要特性。

用于鎳氫充電電池的獨(dú)立快速充電器

即使對(duì)于那些喜歡鋰離子電池的人來(lái)說(shuō)，鎳氫電池也很受歡迎，因?yàn)樗鼈儽蠕囯x子電池便宜得多，并且它們有標(biāo)準(zhǔn) AA 和 AAA 尺寸，常見于 MP3 播放器、閃光燈附件和循環(huán)燈等設(shè)備中。

NiMH可充電電池的溫度和端電壓隨著電池充電而穩(wěn)定上升，然后在電池充滿電后突然變化（圖2）。因此，NiMH充電器的主要任務(wù)是識(shí)別這個(gè)拐點(diǎn)并中斷充電，或者它可以從快速充電切換到涓流充電。此外，對(duì)溫度和電壓的持續(xù)、獨(dú)立（二次）監(jiān)控可提高充電過(guò)程中的安全性。

圖2.這些曲線顯示了為NiMH可充電電池充電時(shí)電壓（頂部）和溫度（底部）的典型時(shí)間變化。

DS2711/DS2712系列充電器具有這些功能。此外，它們獨(dú)立工作，因此不需要微控制器或微處理器的監(jiān)督。它們?cè)O(shè)計(jì)用于為單個(gè)標(biāo)準(zhǔn) AA 或 AAA 可充電電池或一對(duì)串聯(lián)或并聯(lián)配置的電池充電。DS2711用作線性控制器，DS2712用作開關(guān)控制器。為了最大限度地延長(zhǎng)其使用壽命并節(jié)省電池，這些充電器有四種充電模式：預(yù)充電、快速充電、浮充和維護(hù)（涓流）充電。例如，在浮充模式下，電池充滿電后不久，充電速率將切換到較低的速率（DS25為2711%）。

除了上述監(jiān)視功能外，DS2711/DS2712充電器還具有內(nèi)部定時(shí)器，可通過(guò)將外部電阻連接到TMR引腳來(lái)設(shè)置最長(zhǎng)充電時(shí)間（例如，快速充電模式下為0.5至10小時(shí)）。然后，充滿充電時(shí)間（0.25 至 5 小時(shí)）是已設(shè)置的最大充電時(shí)間長(zhǎng)度的一半。電阻值與所需充電時(shí)間的近似值（T約） 是

R = 1000TAPPROX/1.5

如果在快速充電模式下超過(guò)最大充電時(shí)間，充電器將從快速充電切換到浮充并重置計(jì)時(shí)器。然后，定時(shí)器倒計(jì)時(shí)浮充充電時(shí)間。如果超過(guò)此值，充電器將從浮充模式切換到維護(hù)（涓流充電）模式（圖 3）。

圖3.在該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路中，DS2711電池充電器IC為兩節(jié)串聯(lián)的NiMH可充電電池充電。

連接器 VP1 和 VP2 監(jiān)控電壓;THM1 和 THM2（在熱敏電阻的幫助下）監(jiān)控每個(gè)可充電電池的充電溫度。終端 TMR（定時(shí)器）和 R社交網(wǎng)絡(luò)（傳感器電阻）用于設(shè)置充電時(shí)間和充電電流。DS2711/DS2712充電器的另一個(gè)特性是檢測(cè)要充電的電池是否有故障，或者是否意外地在充電器中安裝了原堿性電池而不是可充電電池類型。如果是這樣，充電器將關(guān)閉。這是一個(gè)重要的功能，因?yàn)閴A性電池的充電會(huì)導(dǎo)致電池泄漏，產(chǎn)生危險(xiǎn)液體和/或氣體。氣體有毒，流體與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)常損壞電路和/或設(shè)備外殼。

如何檢測(cè)堿性電池？

新型高容量NiMH可充電AA電池的典型內(nèi)阻在30mΩ至100mΩ之間，堿性電池的典型內(nèi)阻通常在200mΩ至300mΩ之間（但高達(dá)700mΩ，具體取決于其充電狀態(tài)）。有故障的可充電電池具有更高的內(nèi)阻。因此，DS2711/DS2712充電器利用測(cè)得的電池電壓（VP1和VP2）和已設(shè)定的充電電流計(jì)算待充電電池的內(nèi)阻。

CTST引腳（用于電池測(cè)試，設(shè)置閾值）控制電池阻抗的測(cè)量。VCTST是充電期間的電池電壓減去沒(méi)有充電電流的電池的開路電壓（OCV）之間的差。該值等于充電電流乘以電池阻抗的乘積。除非感測(cè)引腳（VP1、VP2和VN1）是開氏連接到電池的，否則還會(huì)測(cè)量接觸電阻，并且在設(shè)置VCTST時(shí)必須考慮接觸電阻。用于計(jì)算外部電阻器RCTST的值的公式為：

RCTST = 8000 [V2/A]/VCTST, where VCTST = ICHARGE × RCELL

例如，當(dāng)以C / 2200速率（2.1A）為1mAh鎳氫電池充電并選擇R細(xì)胞= 150mΩ 作為電池抑制電阻閾值，VCTST將是：

VCTST = ICHARGE × RCELL = 1.1A × 150mΩ = 0.165V

或者

RCTST= 8000 [V2/A]/0.165V = 48，485Ω
（最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 值為 48.7kΩ）

如果 VCTST超過(guò)電平（在本例中>0.165V），表示內(nèi)部電池電阻加接觸電阻高于150mΩ，IC置位邏輯或光學(xué)錯(cuò)誤信息（LED1、LED2）并停止充電過(guò)程（圖4）。

圖4.該流程圖說(shuō)明了圖3中IC實(shí)現(xiàn)的充電過(guò)程。

用于鋰離子充電電池的獨(dú)立快速充電器

為鋰離子充電電池比為鎳氫電池充電更簡(jiǎn)單，因?yàn)闊o(wú)需監(jiān)控電壓變化率 （dV/dt）。此外，由于鋰離子可充電電池對(duì)過(guò)電壓的反應(yīng)靈敏，因此充電過(guò)程需要4.2V±50mV的精確電源，并具有恒定的充電電流。對(duì)于鎳氫電池，充電器應(yīng)具有二次監(jiān)控功能（溫度、定時(shí)器）以及初級(jí)電壓監(jiān)控功能。

MAX8601為用于鋰離子電池的獨(dú)立充電器，具有內(nèi)部控制的電壓源V。巴特，在+4°C時(shí)測(cè)量2.0V±021.25V，或在4°C范圍內(nèi)測(cè)量2.0V±034.40V，.<>V<>.<>V。充電器可以在通過(guò)V為鋰離子電池充電時(shí)保持恒定的輸出電流巴特連接（圖5）。外部電阻器（在SETI引腳上）和一個(gè)外部電容器（在CT引腳上）設(shè)置充電電流和內(nèi)部定時(shí)器。充電器還使用NTC電阻來(lái)監(jiān)控可充電電池的溫度。

圖5.MAX8601鋰離子電池獨(dú)立充電器的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路

MAX8601充電器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠通過(guò)外部電源適配器（直流引腳）或USB端口為電池充電（圖6）。USB 端口提供 100mA 或 500mA（典型 USB 輸出電流）的充電電流，具體取決于 USEL 引腳的設(shè)置。芯片自動(dòng)選擇外部電源（電源適配器或USB），如果兩個(gè)電源都可用，則通過(guò)電源適配器為電池充電。任一電源的最小電壓必須為 4.5V。通過(guò)USB端口充電的能力節(jié)省了外部電源模塊的成本。電力磚通常體積龐大且能源效率低下。

MAX8601采用控制算法優(yōu)化鋰離子電池充電，包括低電池預(yù)充電、限壓限流快速充電和浮充。它還具有上電復(fù)位功能，并持續(xù)監(jiān)控電池的過(guò)壓、過(guò)熱/欠溫和充電時(shí)間。充電時(shí)的過(guò)壓、過(guò)熱或欠溫情況會(huì)永久損壞可充電電池，導(dǎo)致電池容量和壽命降低，甚至電池沒(méi)電。最壞的情況可能會(huì)導(dǎo)致電池盒泄漏或爆裂。MAX8601確保充電時(shí)不會(huì)發(fā)生損壞，從而最大限度地延長(zhǎng)電池壽命并消除潛在的危險(xiǎn)條件。

圖6.該流程圖說(shuō)明了圖5中IC實(shí)現(xiàn)的充電過(guò)程。

總結(jié)

DS2711/DS2712和MAX8601為獨(dú)立充電器，其多種監(jiān)測(cè)功能（電壓、功率、溫度和定時(shí)器）既不需要微控制器，也不需要電源浪涌保護(hù)電源適配器。這兩款器件均提供清晰簡(jiǎn)單的外部開關(guān)。

審核編輯：郭婷