电池充电器原理：
摘要：本文概述了电池充电方法和现代电池技术，以便读者更好地了解便携式设备中使用的电池。本文介绍了镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）和锂离子（Li+）电池的化学特性，还介绍了单节锂离子和锂聚合物电池保护芯片。
概述
电池的应用从未像今天这样广泛。电池变得越来越小、越来越轻，单位体积内蕴藏的能量也越来越多。电池发展的主要驱动力是便携式设备（如手机、笔记本电脑、摄像机和 MP3 播放器）的快速增长。本应用说明介绍了充电方法和现代电池技术，将帮助您更好地了解这些便携式设备中使用的电池。
电池的定义
如果将电池仅定义为一种储能系统，那么它可能包括飞轮和钟表弹簧等部件。在现代技术中，电池更准确地定义为一种便携式、独立的、能够产生电能的化学系统。
原电池，也称为非充电电池或原电池，通过电池中的单向化学反应产生电能。原电池放电会导致电池化学成分发生永久性和不可逆的变化。但可充电电池，也称为二次电池，可以在应用中放电，也可以通过充电器充电。因此，二次电池储存能量，而不是产生能量。
充电和放电电流（安培）通常以电池额定容量的倍数表示，称为充电率（C-rate）。例如，对于额定容量为 1 安培小时 (Ah) 的电池，C/10 的放电电流等于 1Ah/10 = 100mA。电池的额定容量（Ah 或 mAh）是在特定条件下电池完全放电时可以存储（产生）的电能量。因此，电池的总能量等于容量乘以电池电压，以瓦时表示。
电池性能测试
电池的化学成分和设计共同限制了输出电流。如果没有实际因素限制性能，电池可以瞬间输出无限电流。限制电池输出电流的主要因素是基本化学反应速率、电池设计和发生化学反应的区域。有些电池能够产生大电流。例如，镍镉电池的短路电流大到足以熔化金属并引起火灾。其他电池只能产生微弱的电流。电池中的总化学和机械效应可以用一个数学因子来表示，即等效内阻。降低内阻将产生更多的电流。
没有电池可以永远储存能量。电池不可避免地会发生化学反应并逐渐退化，导致其可储存的能量减少。电池容量与其重量（或体积）之比称为电池的能量密度。高能量密度意味着在给定体积和重量的电池中可以储存更多能量。
下表列出了个人电脑和手机中使用的可充电电池的主要化学成分、额定电压和能量密度（以每千克瓦时或 Wh/Kg 表示）。
表 1. 常见可充电电池化学成分的能量密度
细胞类型
（五）
(瓦时/千克)
铅酸
2.1
三十
（镍镉）
1.2
40 至 60
金属（镍氢）
1.2
60 至 80
离子 (Li+)
3.6
90 至 100
离子
3.6
100 至 110
离子
3.6
130 至 150
表 2. 常见可充电电池化学成分的特性
金属
离子
低的
高的
低的
循环寿命
高的
高的
高的
成本
低的
高的
高的
高的
低的
如果一次电池和二次电池都能达到同样的目的，为什么不总是选择二次电池呢？原因是二次电池有以下缺点：
为电池充电
新的可充电电池或电池组（一组中的几节电池）不能保证充满电。事实上，它们很可能已经完全放电。因此，请首先根据制造商的化学指南对电池/电池组进行充电。
每次充电都会根据电池化学性质按顺序施加电压和电流。因此，充电器和充电算法需要满足不同电池化学性质的不同要求。常见的电池充电术语包括：镍镉和镍氢电池的恒定电流 (CC)，以及锂离子和锂聚合物电池的恒定电流/恒定电压 (CC/CV)（图 1 至 6）。
图1.半恒流充电，主要应用于剃须刀、数字无绳电话和玩具
图 2. 定时器控制充电，主要用于笔记本电脑、数据终端、无线设备和手机
图3.-DV终止充电方式，主要应用于笔记本电脑、数据终端、摄像机、无线设备和蜂窝电话
图4. 电源设备和电动工具中使用的-dT/dt终止充电方法
图5. 涓流充电，主要用于应急灯、指示灯和内存备份
表 3. 充电方式
数量
时间（小时）
（卡马西平）
（卡马西平）
期末水平 (%)
基于（NiCl 和 NiMH）
半-
大多数；而且成本低
15
0,1
----
----
定时器-
超过；而且成本低
6至8
0,2
1/20-1/30
。 120
-V 截止
最多；更多
1 至 2
0.5-1
1/20-1/30
. 110 至 120
T/t截止
更多，但可以是生命周期
3 或 4
1 至 2
>1
1/20-1/30
. 100 至 110
-
且成本低；
15
0,1
----
----
基于
- (CC-CV)
不适用于主电池 - 适用于 Ni-Cd /NiMH 。适用于 Li+ 和 Li- 。
1 至 3
----
100
表4. 不同化学成分电池的满充电标准
氯化镍
镍氢电池
锂+
/
满的
-V/dt 和/或 T/dt
V/dt = 0 和/或 T/dt
= 例如 0.03C 和/或时间
如上所示，确定充电终止的条件根据电池化学性质和充电技术而有所不同。
镍镉电池充电
NiCd 电池的恒定电流充电范围从 0.05C 到大于 1C。一些低成本充电器使用绝对温度来终止充电。虽然简单且成本低廉，但这种充电终止方法并不准确。更好的方法是通过检测电池充满时的电压降来终止充电。对于充电率为 0.5C 或更高的 NiCd 电池，-ΔV 方法最有效。-ΔV 充电终止检测应与电池温度检测相结合，因为老化的电池和不匹配的电池可能会降低 ΔV。
通过检测温升速率（dT/dt），可以实现更准确的充满检测，比固定温度终止对电池更有利。基于ΔT/dt和-ΔV组合的充电终止方法可以避免电池过充，延长电池寿命。
快速充电可提高充电效率。在 1C 充电速率下，效率可接近 1.1（91%），充满空电池的时间约为 1 小时。在 0.1C 充电时，效率降至 1.4（71%），充电时间约为 14 小时。
由于镍镉电池几乎可以接受 100% 的电量，因此在充电的前 70% 期间几乎所有的能量都被吸收，电池保持低温状态。超快速充电器利用这一特性在几分钟内将电池充电至 70%，以几 C 的电流充电而不会产生热量。充电至 70% 后，电池继续以较低的速率充电，直至充满。最后，以 0.02C 至 0.1C 的涓流结束充电。
镍氢电池充电
尽管 NiMH 充电器与 NiCd 充电器类似，但 NiMH 充电器采用 ΔT/dt 法终止充电，这是迄今为止为 NiMH 电池充电的最佳方法。NiMH 电池在充电结束时的电压降较小，在低充电速率（小于 0.5C，取决于温度）下可能不会出现电压降。
新的 NiMH 电池在充电周期中可能会过早出现假尖峰，这会导致充电器过早终止充电。此外，仅使用 -ΔV 感测来终止充电几乎肯定会导致过度充电，从而限制电池失效前可进行的充电和放电周期数。
似乎没有一种适用于所有条件（新旧、热或冷、完全或部分放电）的镍氢电池的 -dV/dt 充电算法。因此，除非镍镉充电器使用 dT/dt 方法终止充电，否则您不能使用镍镉充电器为镍氢电池充电。此外，由于镍氢电池不能很好地吸收过充电，因此涓流充电电流小于镍镉电池（约 0.05C）。
镍氢电池的慢速充电比较困难。因为当以 0.1C 至 0.3C 的速率充电时，电压和温度的变化不能准确指示电池已充满电。因此，慢速充电器必须依靠计时器来确定何时结束充电。因此，为确保镍氢电池充满电，应以接近 1C 的速率（或电池制造商指定的速率）快速充电，同时监测电压（ΔV = 0）和温度（dT/dt）以确定何时结束充电。
锂离子和锂聚合物电池充电
镍基电池充电器限制电流，而锂离子电池充电器必须限制电压和电流。最初，锂离子电池充电电压限制为 4.10V/cell。电压越高，容量越大，现在可以通过添加化学添加剂来实现 4.20V 电池电压。目前的锂离子电池通常充电至 4.20V，容差为 ±0.05V/cell。
当端电压达到电压阈值且充电电流降至 0.03C（约 3%，见图 6）时，电池已充满电。大多数充电器在约 3 小时内充满电。虽然一些线性充电器声称可以在约一小时内为 Li+ 电池充电，但这些充电器通常在电池端电压达到 4.2V 时终止充电，这只能将电池充电至其容量的 70%。
图 6. 恒流、恒压充电主要用于手机、无线设备和笔记本电脑。
充电电流越大，充电时间越短。充电电流越大，电压峰值越快，但浮充时间越长。通常，浮充时间是初始充电时间的两倍。
锂离子电池保护
由于 Li+ 电池过度充电或过度放电会引起爆炸和人身伤害，因此使用此类电池时，安全性是主要考虑因素。因此，商用锂离子电池组通常包含类似此保护电路（图 7）。它提供可充电 Li+ 电池所需的所有保护功能，例如在充电时保护电池、防止电路过流以及通过限制电池的放电电压来延长电池寿命。
图7、锂电池保护IC典型应用电路
该 IC 使用外部开关元件（例如低成本的 n 沟道电源）来控制充电和放电电流。内部 9V 电荷泵为外部 n 沟道提供高侧驱动，其导通电阻低于使用相同 FET 的常见低侧保护电路。FET 导通电阻实际上会随着电池放电而减小（见图 8）。
图 8. 高端模式控制的保护 FET 的电阻小于传统低端模式 FET 的电阻。受控 FET 电阻实际上会随着电池电压下降而减小。
经过调节的高端 n-FET 驱动器即使在放电结束时也能确保低开关电阻。这将延长便携式设备的运行时间。
允许用户通过数据接口或专用输入控制外部 FET，从而减少可充电 Li+ 电池系统中对额外电源开关控制的需求。通过其 1-Wire 接口为主机系统提供对状态和控制寄存器、测量寄存器和通用数据存储器的读写访问。每个设备都有一个工厂编程的 64 位唯一地址，允许主机系统单独寻址每个设备（图 9）。
图 9.受保护的锂离子电池波形。
提供两种类型的存储器用于电池信息存储，和可锁定。它是真正的非易失性 (NV) 存储器，用于保存重要的电池数据，不会因电池过放电、意外短路或 ESD 事件而丢失数据。可锁定在锁定后相当于只读存储器 (ROM)，用于更安全地保存不再更改的电池数据。
保护模式
过压
如果在 VDD 处检测到的电池电压超过过压阈值 VOV 的时间大于过压延迟时间 tOVD，则充电 FET 将关闭，并设置保护寄存器中的 OV 位。在过压期间，放电路径保持打开状态。除非被另一个保护条件锁定，否则当电池电压降至充电启用阈值 VCE 以下或由于放电导致 VDD - VPLS > VOC 时，充电 FET 将重新启用。
欠电压
如果在 VDD 处检测到的电池电压低于欠压阈值 VUV 且持续时间大于欠压延迟时间 tUVD，则充电和放电 FET 将关闭，并且保护寄存器的 UV 位将设置为进入睡眠模式。当电池电压升至 VUV 以上且充电器已连接时，IC 将打开充电和放电 FET。
短路
如果在 VDD 上检测到的电池电压低于放电阈值 VSC 并持续延迟时间 tSCD，则充电和放电 FET 将关闭，并设置保护寄存器的 DOC。除非 PLS 上的电压升至大于 VDD - VOC，否则充电和放电 FET 将不会打开。通过内部 VDD 至 PLS 电阻 RTST 提供测试电流，当 VDD 升至 VSC 以上时，该电阻将上拉 PLS。此测试电流用于检测有害低阻抗负载的移除。此外，测试电流还通过 RTST 提供从 PLS 到 VDD 的恢复充电路径。
过流
如果保护 FET (VDD - VPLS) 两端的电压大于 VOC 的时间超过 tOCD，则外部充电和放电 FET 将关闭，并设置保护寄存器 DOC。直到 PLS 上的电压升至大于 VDD - VOC 时，电路才会打开。通过内部 VDD 至 PLS 电阻 RTST 提供测试电流，以检测有害低阻抗负载的移除。
过热
如果温度超过TMAX，外部充电和放电FET会立即关闭。直到满足以下两个条件，FET才会打开：电池温度降至TMAX以下并且主机重置OT。
充电温度
充电应尽可能在室温下进行。镍基电池应在 10°C 至 30°C（50°F 至 86°F）之间快速充电。镍基电池的充电容量在 5°C (41°F) 以下和 45°C (113°F) 以上时急剧下降。锂离子电池在整个温度范围内都能很好地充电，但充电速率应低于 5°C (41°F) 以下的 1°C。
综上所述
NiMH 充电器可以给 NiCd 电池充电，但反之则不行。专为 NiCd 电池设计的充电器会对 NiMH 电池过度充电。快速充电可以延长镍基电池的寿命和性能，因为它可以降低内部结晶引起的记忆效应。镍基电池和锂电池需要不同的充电算法。Li+ 电池需要保护电路来监控和防止过流、短路、过压、欠压和过热。请注意，当电池不经常使用时，应将其从充电器中取出并在使用前进行浮充。