电池充放电理论与方案

电池充放电理论与方案一、镍氢电池有记忆效应，只是没镍镉电池明显。记忆效应最不明显的是锂电池。记忆效应不明显意味着，可以多次充电，甚至每用完就充电而不会有太打的影响。从延长使用寿命角度来看，在充放电30－50次左右，可以做一次深度放电，以恢复到最大容量。过度放电，反而伤害电池。一节镍氢电池的额定电压是在1.2V，在刚充满电的时候实际是超过这个值的，一般在1.4-1.5V之间。随着使用，电压会逐渐降低，在一般的使用场合，当电压低于1V时，就基本无法使用。我们所说的深度放电一般指电压下降到0.85V-0.9V之间。通过低电压，小电流的放电，达到这个值的时候，镍氢电池(也包括镍镉)就能恢复到最大的容量，延长使用寿命。但如果继续放电，一旦低于0.8V就有可能造成对电池不可逆的伤害，反而是影响了电池的寿命。对电池深度放电比较好的方法是购买有放电功能的充电器或专门的放电器。二、长期不用的电池保存和恢复方法。由于镍镉电池和镍氢电池特性不同，所以保存方法叶不同。镍镉电池是要将电用完来保存，采用正确的充电方法，大概需要充放3－5次才能将电池恢复到最佳状态。而镍氢电池要长期保存前，应该充电到80％左右，然后再保存。长期保存的镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用正确方法充放2－3次就可以恢复到最佳状态了。三、关于充电的问题。按充电电流来分：有快速充电和慢速充电。按充电方式来分：有恒流充电和脉冲充电。1、什么是快充，什么是慢充。以一节电池的标称容量为1C，在0.1－0.2C的充电电流为慢充，0.2C的为快充，0.8C的为超快速充电，＝0.05C的则是涓流充电。以一节1400MAH的镍氢电池为例，充电电流在140MA－280MA之间的为慢速充电，而同样280MA的充电电流，对一节700MAH的电池则就是快充。2、究竟是快好还是慢好？其实这也没有固定的答案。很多人都认为慢好，认为快充会伤害电池。原因并不是很多人所想的“大电流充电伤害电池”。真正的原因是发热，由于大电流而引起的发热。过高的温度对电池寿命有很大的影响。所以说大电流并不可怕，头疼的是怎样来解决发热的问题。3、恒流充电和脉冲充电：在慢充时，基本上所有的充电器都采用了恒流的充电方法，这样电路设计比较简单，容易实现。而由于充电电流在慢速范围，并不会引起电池过热的问题。到了用快速电流充电的问题上，再使用恒流方式，无疑无法避免电池过热的问题，因此恒流的方法就被摒弃。取而代之的是脉冲方式，从波形上可以看出，充电电流的输出不是直线，而是正弦波。波峰时，电流最大，然后马上进入波谷，几乎是没有电流。这样设计的目的是为了让电池有一个恢复时间，从而减少大电流产生的热量，使电池发热控制在一个可接受的水平。现在市场上看到的百余元左右的快速充电器，基本都采用这个方法。而且这类充电器还采用了电压斜率判断法或delta判断法来判断电池是否充满，一旦充满就自动转入涓流充电，以免超过时间后大电流对电池造成伤害。大于1C的超高速充电，国际上采用的基本都是脉冲法加去极化反应结合的方式。就是在脉冲法的基础上，当一个正弦波的上半部完成后，插入一个短暂负电压的余弦波，来抵消过大的电流产生巨大热量(极化反应)，从而将电池热量控制住。这种方法一般只有在比较专业的充电器，这类充电器往往可以做到用2C－3C的电流对电池进行充电。这些方法中，从电池使用寿命角度来看，慢速恒流充电无疑是对保证电池寿命最好的方法。先进的锂电池线性充电管理芯片BQ2057及其应用1引言BQ2057系列是美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片，BQ2057系列芯片适合单节(4.1V或4.2V)或双节(8.2V或8.4V)锂离子(Li-Ion)和锂聚合物(Li-Pol)电池的充电需要，同时根据不同的应用提供了MSOP、TSSOP和SOIC的可选封装形式，利用该芯片设计的充电器外围电路及其简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性。2.功能及特性2.1器件封装及型号选择BQ2057系列充电芯片为满足设计需要，提供了多种可选封装及型号，其封装形式如图2－1所示，有MSOP、TSSOP和SOIC三种封装形式。其型号如表2－1所示，有BQ2057、BQ2057C、BQ2057T和BQ2057W四种型号，分别适合4.1V、4.2V、8.2V和8.4V的充电需要。BQ2057的引脚功能描述如下：VCC(引脚1):工作电源输入；TS(引脚2):温度感测输入，用于检测电池组的温度；STAT(引脚3):充电状态输出，包括:充电中、充电完成和温度故障三个状态；VSS(引脚4):工作电源地输入；CC(引脚5):充电控制输出；COMP(引脚6):充电速率补偿输入；SNS(引脚7):充电电流感测输入；BAT(引脚8):锂电池电压输入；2.2充电状态流程BQ2057的充电状态流程如图2－3所示，其充电曲线如图2－2所示，BQ2057的充电分为三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。2.2.1预充阶段在安装好电池并加上电源后，BQ2057首先检查工作电压VCC，当工作电压过低时充电器进入睡眠模式，若工作电压正常，则检查电池温度是否在元件型号充电电压BQ20574.1VBQ2057C4.2VBQ2057T8.2VBQ2057W8.4V设定范围，若不正常则进入温度故障模式，否则检测电池电压VBAT，当电池电压VBAT低于低压门限V(min)时，BQ2057以恒流IREG10％的电流IPRE对电池预充电，2.2.2恒流充电在完成对电池预充或电池电压VBAT低于恒压VREG时，BQ2057进入恒流充电状态，此时由外部的感测电阻RSNS上的压降监控充电电流，该电阻可采取高/低边的连接方式，在高边电流检测中RSNS接在VCC和SNS引脚间，在低边电流检测中RSNS接在VSS和SNS引脚间，如图2－4所示，通过SNS引脚获得充电电流的反馈，感测电阻由公式（1）计算：其中IREG为预期的充电电流，VSNS可在BQ2057的电特性表中查得。2.2.3恒压充电当充电电压达到恒压VREG时进入恒压充电状态。在整个工作温度和工作电压范围内，恒压精度高于±1%，BQ2057通过VBAT和VSS引脚监测电池组电压，当充电电流达到终止门限I(TERM)时停止充电，当电池电压低于重新充电门限电压V(RCH)时自动开始重新充电。BQ2057除了能实现标准的4.1V、4.2V、8.2V和8.4V电压充电外，还可以通过分压实现对非标准电压充电，其方法是用分压电阻实现的电池分压值作为BAT引脚的输入，如图2－4所示。2.3电池温度监测BQ2057通过测量TS与VSS引脚间的电压实现对电池组温度的连续监测，常用热敏电阻作为温度传感器，并通过分压电阻实现，如图3－1所示。分压电阻的阻值可根据参数计算。BQ2057将该电压与内部的V(TS1)和V(TS2)门限电压比较以决定是否允许充电。由于外部分压及内部门限电压均以VCC为参考，保证了温度检测电路不受工作电源VCC的波动影响。当把TS引脚连到VCC或VSS时，可以禁止BQ2057的充电功能。2.4充电状态指示BQ2057通过三态引脚STAT报告当前的充电状态：充电状态高电平、充电完成低电平、温度故障或睡眠状态高阻态。当将STAT引脚与单LED或双LED反接方式连接时，可实现充电状态的LED指示，也可以将STAT口与仪器微控制器接口，微控制器通过识别STAT口的三种状态实现仪器的智能管理。3．典型充电器电路设计利用BQ2057设计的充电器电路简单，采用BQ2057设计的锂电池充电电路可实现对1节或两节锂电池的充电，工作电源DC+根据充电锂电池组的电压选择，推荐工作电压4.5V～18V，电池组的正端电压PACK+接BAT引脚，TS引脚检测电池组的热敏电阻NTC通过分压电阻后的分压值，以此判断温度是否正常，BQ2057可设计由PNP晶体管或P沟道MOSFET管充电，在选择时应满足功耗要求，采用PNP晶体管的充电电路参看图3－1，采用P沟道MOSFET管的充电电路参看图3－2。锂电池的基本知识--------特性、主要参数、型号的意义、应用范围及使用注意事项锂是一种金属元素，其化学符号为Li(其英文名为lithium)，是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属，在金属中是最轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃(电视机上用的荧光屏玻璃)及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极。锂电池也分成两大类：不可充电的及可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能(或者还原性能极差)。而可充电的电池称为二次性电池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如电能化学能锂电池的主要特点灵巧型便携式电子产品要求尺寸小、重量轻，但电池的尺寸及重量与其它电子元器件相比往往是最大的及最重的。例如，想当年的“大哥大”是相当“粗大、笨重”，而今天的手机是如此的轻巧。其中电池的改进是起了重要作用的：过去是镍镉电池，现在是锂离子电池。锂电池的最大特点是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升(体积单位)。这里举一个例来说明：5号镍镉电池的额定电压为1.2V，其容量为800mAh，则其能量为0.96Wh(1.2V×0.8Ah)。同样尺寸的5号锂－二氧化锰电池的额定电压为3V，其容量为1200mAh，则其能量为3.6Wh。这两种电池的体积是相同的，则锂－二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍!一节5号镍镉电池约重23g，而一节5号锂－二氧化锰电池约重18g。一节锂－二氧化锰电池为3V，而两节镍镉电池才2.4V。所以采用锂电池时电池数量少(使便携式电子产品体积减小、重量减轻)，并且电池的工作寿命长。另外，锂电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。锂电池的缺点是价格昂贵，所以目前尚不能普遍应用，主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。随着技术的发展、工艺的改进及生产量的增加，锂电池的价格将会不断地下降，应用上也会更普遍。一、不可充电的锂电池不可充电的锂电池有多种，目前常用的有锂－二氧化锰电池、锂—亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。本文仅介绍前两种最常用的。1、锂－二氧化锰电池锂－二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极，并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高，额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍)；终止放电电压为2V；比能量大(见上面举的例子)；放电电压稳定可靠；有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤2％)；工作温度范围－20℃～＋60℃。该电池可以做成不同的外形以满足不同要求，它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。圆柱形的也有不同的直径及高度尺寸。这里列举大家较熟悉的1＃(尺寸代码D)、2＃(尺寸代码C)及5＃(尺寸代码AA)电池的主要参数，如表1所示。型号中的CR表示为圆柱形锂－二氧化锰电池；五位数字中，前两位表示电池的直径,后三位表示带一位小数的高度。例如，CR14505，其直径为14mm，高度为50.5mm(这种型号是通用的)。这里要指出的是不同工厂生产的同型号的电池其参数可能有些差别。另外，表1中的标准放电电流值是较小的，实际放电电流可以大于标准放电电流，并且连续放电及脉冲放电的允许放电电流也不同，由电池厂提供有关数据。照相机中用的锂电池多半是锂－二氧化锰电池。这里将照相机中常用的锂－二氧