作者：Maxim 公司 Gert Helles

    電池的應(yīng)用從來(lái)沒(méi)有像現(xiàn)在這么廣泛。電池正在變得更小、更輕，在單位容積內(nèi)可容納更多能量。電池發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自便攜裝置(移動(dòng)電話(huà)，膝上電腦，攝錄像機(jī)，MP3播放機(jī))的發(fā)展。

    本文概述充電方法和現(xiàn)代電池技術(shù)，以便更好地了解便攜裝置所用的電池。這包括鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li+)電池化學(xué)性質(zhì)的描述。本文也描述了單節(jié)鋰離子和鋰離子聚合物電池的保護(hù)器件。

電池定義

    電池稱(chēng)之為能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，這也包括續(xù)流和時(shí)鐘源。從現(xiàn)代技術(shù)的角度看，電池通常是產(chǎn)生電能的自?xún)?chǔ)化學(xué)系統(tǒng)的便攜裝置。

    一次性電池(稱(chēng)之為不可充電或初級(jí)電池)從恒定變化電池的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。一次性電池的放電引起電池化學(xué)成分的永久性和不可逆變化。反之，可充電電池稱(chēng)之為二次電池，二次電池由充電器充電而在應(yīng)用中放電。因此，二次電池可以多次產(chǎn)生能量和多次儲(chǔ)存能量。

    充電或放電電流(安培)通常表示為額定容量的倍數(shù)(稱(chēng)之為C率)。例如，額定為1安培一小時(shí)(1Ah)的電池，C/10放電電流為1Ah/10=100mA。電池的額定容量(Ah或mAh)是在特定條件下完全充電時(shí)所能儲(chǔ)存(產(chǎn)生)的電量。因此，電池的總能量是容量乘電壓，其量度為瓦特一小時(shí)。

圖1  半恒流充電(主要用在電動(dòng)剃刀，數(shù)字無(wú)繩電話(huà)和玩具等應(yīng)用中)

圖2  定時(shí)器控制的充電(主要用在筆記本電腦、數(shù)據(jù)終端、無(wú)線(xiàn)設(shè)備和蜂窩電話(huà)中)

圖3  -△V截止電流(用在筆記本電腦、數(shù)據(jù)終端、攝錄像機(jī)、無(wú)線(xiàn)設(shè)備和蜂窩電話(huà)中)

圖4  -dT/dt終止充電(應(yīng)用在電動(dòng)工具和電氣工具中)

電池性能測(cè)試

    電池的化學(xué)成分和設(shè)計(jì)一起限定電池所能提供的電流。若沒(méi)有限制性能的實(shí)際因素，電池可產(chǎn)生無(wú)窮大的電流。限制電池性能的主要因素是化學(xué)成分的反應(yīng)率、電池設(shè)計(jì)和發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域。某些電池具有產(chǎn)生大電流的能力。例如，鎳鎘電池所產(chǎn)生的電流大到足以熔化金屬和引起火災(zāi)。其他電池只能產(chǎn)生弱電流。

    電流中所有化學(xué)和機(jī)械因素的凈效應(yīng)可表示為單一數(shù)學(xué)因數(shù)一等效內(nèi)阻。降低內(nèi)阻可得到較大的電流。

    沒(méi)有一個(gè)電池能永久地儲(chǔ)存能量。不可避免地，電池化學(xué)反應(yīng)能力逐漸下降導(dǎo)致電池儲(chǔ)存電荷減少。電池容量和重量(或尺寸)之比稱(chēng)之為電池的存儲(chǔ)密度。在給定尺寸和重量的電池中，高存儲(chǔ)密度意味著可儲(chǔ)存更多能量。

    表1給出個(gè)人計(jì)算機(jī)和蜂窩電話(huà)所用主要化學(xué)電池的額定電壓和存儲(chǔ)密度(用每千克重量的瓦特一小時(shí)或Wh/Kg)表示。

    表2列出幾種電池的主要特性。

    若一次性和二次電池都能達(dá)到同一目的，為什么總是不選擇二次電池呢？這是因?yàn)槎坞姵赜邢铝腥秉c(diǎn)：

電池充電

    一個(gè)新的可充電電池或電池組(一個(gè)電池組中有幾個(gè)電池)不能保證完全充滿(mǎn)電。事實(shí)上它們很可能幾乎被放電。因此，第一件要做的事情是根據(jù)制造商提供的化學(xué)成分相關(guān)指南，對(duì)電池/電池組進(jìn)行充電。

    每次充電操作根據(jù)電池的化學(xué)成分依序加電壓和電流。因此，充電器和充電算法滿(mǎn)足電池化學(xué)成分的不同要求。電池充電經(jīng)常遇到的術(shù)語(yǔ)是：用于NiCl 和NiMH電池的恒流(CC)和用于鋰離子和鋰聚合物電池的恒流/恒壓(CC/CV)(見(jiàn)圖1-6)。

表3列出各種充電方法。

鎳鎘電池充電

    加恒流(0.05C-1C)對(duì)NiCd電池充電。某些低成本充電器借助絕對(duì)溫度終止充電。雖然簡(jiǎn)單、成本較低，但這種充電終止方法是不精確的。較好的方法是用檢測(cè)電壓跌落的方法終止充電。-△V 方法對(duì)于充電速率為0.5C或更高速率的NiCd電池是最有效的。-△V充電終止檢測(cè)應(yīng)該與電池溫度測(cè)量相結(jié)合，因?yàn)樽冑|(zhì)電池和失配電池可降低△V。

    可以用檢測(cè)溫度增加速率(dT/dt)實(shí)現(xiàn)更精確的滿(mǎn)充檢測(cè)，這種充電檢測(cè)方法比固定溫度終止方法更好�；赿T/dt和-△V終止組合方法的充電終止方法具有較長(zhǎng)的壽命周期，可避免過(guò)充電。

    快速充電可改善充電效率。在1C效率接近1.1(91%)，而空載電池的充電時(shí)間，1小時(shí)多一點(diǎn)，當(dāng)以0.1C充電時(shí)，效率降到1.4(71%)，充電時(shí)間為14小時(shí)左右。

    因?yàn)镹iCd電池的電荷接收度接近100%，所以在開(kāi)始70%充電