可充电电池技术和充电方法

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发布时间 2008-10-21

电池的应用从来没有像现在这么广泛。电池正在变得更小、更轻,在单位容积内可容纳更多能量。电池发展的主要驱动力来自便携装置(移动电话,膝上电脑,摄录像机,MP3播放机)的发展。
  本文概述充电方法和现代电池技术,以便更好地了解便携装置所用的电池。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
  电池称之为能量储存系统,这也包括续流和时钟源。从现代技术的角度看,电池通常是产生电能的自储化学系统的便携装置。
  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能。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能量和多次储存能量。
  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(Ah或mAh)是在特定条件下完全充电时所能储存(产生)的电量。因此,电池的总能量是容量乘电压,其量度为瓦特一小时。
可充电电池技术和充电方法
  图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)
可充电电池技术和充电方法
  图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)
可充电电池技术和充电方法
  图3  -△V截止电流(用在笔记本电脑、数据终端、摄录像机、无线设备和蜂窝电话中)
可充电电池技术和充电方法
  图4  -dT/dt终止充电(应用在电动工具和电气工具中)
  电池性能测试
  电池的化学成分和设计一起限定电池所能提供的电流。若没有限制性能的实际因素,电池可产生无穷大的电流。限制电池性能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能力。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。其他电池只能产生弱电流。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。降低内阻可得到较大的电流。
  没有一个电池能永久地储存能量。不可避免地,电池化学反应能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能量。
  表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。
  表2列出几种电池的主要特性。
  若一次性和二次电池都能达到同一目的,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)不能保证完全充满电。事实上它们很可能几乎被放电。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。
  每次充电操作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 和NiMH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)。
  表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。某些低成本充电器借助绝对温度终止充电。虽然简单、成本较低,但这种充电终止方法是不精确的。较好的方法是用检测电压跌落的方法终止充电。-△V 方法对于充电速率为0.5C或更高速率的NiCd电池是最有效的。-△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低△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好。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命周期,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%),而空载电池的充电时间,1小时多一点,当以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能量,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到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,电池以较低速率继续充电,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
  尽管NiMH充电器与NiCd充电器类似,但是,NiMH充电器采用dT/dt方法,这是NiMH电池充电的最好方法。NiMH电池的充电结束电压下降比较小,而对小充电率(低于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检测充电结束能保护过充电,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算法能使NiMH电池充电更有效。基于此原因,不能用NiCd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电池不能吸收过充电,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能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何时充电周期应该结束。所以,为了使NiMH电池充满电,应该施加接近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)来确定何时充电应该结束。

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