浅谈电池充电器原理

表2. 常用可充电电池化学成分的特性

若一次和二次电池都能达到同样目的，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：

实际中，所有二次电池能量都会因自放电较快的损失

二次电池使用前必需充电

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)不能保证已充满电。事实上它们很可能已被完全放电。因此，首先要根据制造商提供的、与化学成分相关的指南，对电池/电池组充电。

每次充电要根据电池化学成分按顺序施加电压和电流。因此，充电器和充电算法需满足不同电池化学成分的不同要求。电池充电常用术语包括：用于NiCd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) 。



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，主要应用于笔记本，数据终端，无线设备和蜂窝电话





图3. -DV终止充电方式，主要应用于笔记本，数据终端，摄录像机，无线设备和蜂窝电话



图4. -dT/dt终止充电方式，应用于电源设备和电动工具



图5. 涓流充电，主要应用于应急灯，导引灯和存储器备份



镍镉电池充电

在0.05C至大于1C的范围内对NiCd电池恒流充电。一些低成本充电器使用绝对温度终止充电。虽然简单、成本低，但这种充电终止方法不精确。更好的方法是通过检测电池充满时的电压跌落终止充电。对于充电速率为0.5C或更高的NiCd电池，-ΔV方法是最有效的。-ΔV充电终止检测应与电池温度检测相结合，因为老化电池和不匹配电池可能减少ΔV。

通过检测温升速率(dT/dt)可以实现更精确的满充检测，这种满充检测比固定温度终止对电池更好。基于ΔT/dt和-ΔV组合的充电终止方法可避免电池过充，延长电池寿命。

快速充电可改善充电效率。在1C的充电速率下，效率可以接近1.1 (91%)，充满一个空电池的时间为1小时多一点。当以0.1C充电时，效率便下降到1.4 (71%)，充电时间为14小时左右。

因为NiCd电池对电能接收程度接近100%，所以几乎所有的能量在充电开始的70%期间被吸收，而且电池保持不发热。超快速充电器利用该特点，在几分钟内将电池充到70%，以几C的电流充电而无热量产生。充到70%后，电池再以较低速率继续充电，直到电池充满。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，但是，NiMH充电器采用ΔT/dt方法终止充电，这是到目前NiMH电池充电的最好办法。NiMH电池充电结束时电压下降比较小，而对低充电速率(低于0.5C，这取于温度)可能不出现电压下降。

新的NiMH电池会在充电周期内过早地出现错误峰值，这会导致充电器过早结束充电。此外，单用-ΔV检测结束充电几乎肯定会出现过充，导致在电池失效前限制充放电次数。

似乎没有在所有条件下(新或旧，热或冷，全部或部分放电)都适用的NiMH电池的-dV/dt充电算法。因此，除非NiCd充电器使用了dT/dt方法终止充电，否则不能用NiCd充电器为NiMH电池充电。而且，因为NiMH电池不能很好的吸收过充，所以，涓流充电电流比NiCd电池小(约0.05C)。

NiMH电池的慢充比较困难。因为以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。因此，慢速充电器必须依靠定时器来决定何时结束充电。以此，为保证NiMH电池充满，应以接近1C的速率(或电池制造商指定速率)快速充电，同时监控电压(ΔV = 0)和温度(dT/dt)来确定何时结束充电。

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则需同时限制电压和电流。最初的锂离子电池充电电压限制在4.10V/节。电压越高意味着容量越大，现在可以通过增加化学添加剂实现4.20V电池电压。当前的锂离子电池一般充电到4.20V，容差为±0.05V/节。

当端电压达到电压阈值并且充电电流降至0.03C (约Icharge的3%，参考图6)时表明电池已充满。多数充电器达到满充的时间约为3小时。尽管某些线性充电器声称Li+电池充电只需约一小时，但这类充电器通常在电池端电压达到4.2V时就终止充电，这种方法只能将电池充到其容量的70%。



图6. 恒流、恒压充电，主要用于蜂窝电话，无线设备和笔记本电脑。

较高的充电电流并不会使充电时间缩短太多。较高的充电电流能较快达到电压峰值，但是浮充需要较长时间。通常，浮充时间是初始充电时间的两倍。

锂离子电池保护

因为Li+电池过充或过放可能会导致爆炸并造成人员伤害，所以使用这类电池时，安全是主要关心的问题。因此，商用锂离子电池组通常包括象DS2720这样的保护电路(图7)。DS2720提供了可充电Li+电池所需的所有保护功能，如：在充电时保护电池、防止电路过流、通过限制电池的放电电压延长电池寿命。



图7. DS2720锂电池保护IC的典型应用电路

DS2720 IC使用外部开关元件，如低成本n沟道功率MOSFET，来控制充电和放电电流。内部9V的电荷泵为外部n沟道MOSFET提供高端驱动，与常见使用相同FET的低端保护电路相比具有更低的导通电阻。FET导通电阻实际上随电池放电而减少(见图8)。



图8. 受DS2720高端模式控制的保护FET电阻小于传统低端模式FET电阻。受DS2720控制的FET电阻实际上随电池电压下降而降低。

DS2720稳压的高端n-FET驱动，即便在放电快结束时，都能保证低开关阻值。这将延长便携设备运行时间。

监控电池过压/欠压，过流和过热

稳压电荷泵支持高端模式n型沟道MOSFET

集成电池选择功能

8字节可锁定用户EEPROM

64位唯一电子序列号

低功耗：工作15µA，静态1µA

提供8引脚MSPO微型封装

1-Wire®数据通讯接口

DS2720允许用户通过数据接口或专用输入控制外部FET，减少了可充电Li+电池系统中额外的功率开关控制。DS2720通过其1-Wire接口提供主机系统对状态和控制寄存器、测量寄存器，以及通用数据存储器的读写访问。每个器件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器件(图9)。





图9. 受DS2720保护的锂离子电池波形

DS2720为电池信息存储提供两类存储器，及EEPROM和可锁定EEPROM。EEPROM是真正的非易失(NV)存储器，用来保存重要的电池数据，不会因电池过度放电、偶然短路或ESD事件丢失数据。可锁定EEPROM在锁定后相当于只读存储器(ROM)，用于更安全地保存不再改变的电池数据。

保护模式

过压

如果在VDD检测的电池电压超过过压阈值VOV时间大于过压延迟时间tOVD，则DS2720关闭充电FET，并将保护寄存器的OV置位。在过压期间，放电通路保持开放。除非被另外保护条件锁定，当电池电压降到充电使能阈值VCE以下或由于放电导致VDD - VPLS > VOC时，充电FET被重新使能。

欠压

如果在VDD检测的电池电压低于欠压阈值VUV时间大于欠压延迟时间tUVD，则DS2720关闭充电和放电FET，并将保护寄存器的UV置位，使其进入休眠模式。当电池电压升到VUV以上和连接充电器后，IC打开充电和放电FET。

短路

如果在VDD检测的电池电压低于放电阈值VSC时间达到延迟时间tSCD，则DS2720关闭充电和放电FET，并将保护寄存器的DOC置位。除非PLS上的电压升至大于VDD - VOC，否则充电和放电FET不会导通。DS2720提供流经内部VDD至PLS电阻RTST的测试电流，当VDD升至大于VSC时上拉PLS。DS2720利用此测试电流检测有害低阻抗负载的移除。另外，测试电流还提供了流经RTST，由PLS到VDD的恢复性充电通路。

过流

若加在保护FET的电压(VDD - VPLS)大于VOC的时间超过了tOCD，则DS2720关断外部充电和放电FET，并将保护寄存器DOC置位。直到PLS上的电压升至大于VDD - VOC时电路才会导通。DS2720提供流经内部VDD至PLS电阻RTST的测试电流来检测有害低阻抗负载的移除。

过热

若DS2720温度超过TMAX，则立即关断外部充电和放电FET。在以下两个条件满足前FET不会导通：电池温度降到低于TMAX，主机将OT复位。

充电温度

应尽量在室温下充电。镍基电池应在10°C至30°C (50°F至86°F)之间快速充电。低于5°C (41°F)和高于45°C (113°F)时镍基电池的充电能力急剧下降。锂离子电池在整个温度范围内呈现良好的充电性能，但低于5°C (41°F)时充电速率应小于1°C。

结论

NiMH充电器可为NiCd电池充电，反之则不行。NiCd电池专用的充电器将会使NiMH电池过充。快速充电可增强镍基电池的寿命和性能，这是因为快速充电降低了内部结晶引起的**效应。镍基和锂基电池要求不同的充电算法。Li+电池需要保护电路来监控和保护过流、短路、过压、欠压以及过热。注意，在电池不常使用时，应从充电器中取出，在使用前对电池浮充。