如何為您的電池組設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的電池充電器方案

 

 在可充電池化學(xué)電池或物理電池的運(yùn)用過程中，充電器是其成功運(yùn)用的重要裝置， 所以可充電池一出世，充電器便是個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)槌潆娖鞯暮脡闹苯佑绊懙诫姵氐膬蓚€(gè)重要技術(shù)指標(biāo)：可充電池的使用容量；可充電 池的循環(huán)使用次數(shù)，即使用壽命。然而直到六十年代以前，充電器技術(shù)并沒有得到長足發(fā)展，普遍采用的方法主要是恒流或恒壓充電方法， 充電效果不是太理想。這種狀況直到六十年代基于最低出氣率可充曲線原理發(fā)現(xiàn)電池可接受充電電流大小隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律下降這一規(guī)律后， 才證實(shí)恒流或恒壓充電均不是最適合的方法。因?yàn)楹懔鞒潆姇r(shí)，其起始充電電流總是低于電池的可接受能力，造成充電效率低，充電時(shí)間長， 而在充電后期，最終的充電電流又總是高于電池可接受的程度，因而電池內(nèi)部氣體析出率不斷增加，到充電結(jié)束時(shí)，所有充電電流全部供給氣 體析出，電池內(nèi)部電壓迅速增加，電池溫度也隨之迅速上升，造成每次充電電極上都有活性物質(zhì)脫落，從而大大降低了電池的壽命，而恒壓 充電方法在充電初期電池內(nèi)阻極低致使充電電流過大，而隨時(shí)間并不按指數(shù)規(guī)律下降常偏離制定曲線

 

根據(jù)充電曲線研究實(shí)驗(yàn)，又提出了所謂的兩段式、三段式或更多段式充電。所謂兩段式充電指首先對電池進(jìn)行恒流或恒壓充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到 一定程度，然后對電池進(jìn)行涓流充電：所謂三段式一般是首先對電池進(jìn)行恒流充是，待電池電壓達(dá)到電壓閥值后轉(zhuǎn)化為第二階段，即所謂限壓充 電階段，當(dāng)充電電流小到某種程度后轉(zhuǎn)化為第三階段．即所謂限壓充電。另外，由于實(shí)際運(yùn)用的需要，往往還希望對電池進(jìn)行快速充電．影響充 電器快速充電還有兩個(gè)重要因素：一是極化電壓：二是記憶效應(yīng)，其中極化電壓是在充電過程中，電荷堆積于電池電極上而產(chǎn)生的反問電壓，實(shí) 際上表現(xiàn)為對電池內(nèi)阻的增加上，消除它的有效方法是采用負(fù)脈沖方法在電池兩端瞬間放電去除電極上堆積的電荷．并由此產(chǎn)生了脈沖充電方法： 記憶效應(yīng)并不是所有電池都有，可以通過多次的充放電即可消除。上述兩種效應(yīng)應(yīng)該在充電控制器設(shè)計(jì)中予以重視。

 

實(shí)際上，充電控制器在近年采取得了長足的發(fā)展，一個(gè)明顯的標(biāo)志就是世界上大多數(shù)的半導(dǎo)體廠商大都出品了自己的充電器芯片，有的還帶有 中央處理器 (即CPU)。 盡管已經(jīng)有了多種充電方法，而且也有一定的效果，然而大多忽略了一個(gè)重要事實(shí)，即充電電池并不是工作于理想狀態(tài)， 每個(gè)電池都有自己獨(dú)特的個(gè)性．確切地說每個(gè)充電電池都有自己有別干其它甚至是同類電池的充放電曲線，該曲線甚至在充電過程中還足動(dòng)態(tài)變 化的，這就意味著好的充電控制模式應(yīng)該是變化的，而且應(yīng)該與電池的充放電曲線變化一致才是最佳的。事實(shí)上，每個(gè)電池在充電的任意時(shí)刻總 存在一個(gè)最佳的充電電流和充電模式的，問題是我們?nèi)绾尾拍鼙平@個(gè)最佳值。 

綜合起來，判斷規(guī)則有如下幾種：

●定時(shí)控制；

●電壓控制(含最高電壓：電壓負(fù)增量：電壓零增量等)；

●溫度控制(包括最高溫度，最高溫升：溫度變化率等)；

●電流控制等。

較好的辦法是采用綜合判斷方法，對每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并按模糊數(shù)學(xué)原理分別記分，按照置信度做出最佳判斷。 電池快速充電分為幾個(gè)階段,見本文所述及通用充電器運(yùn)行簡圖.[圖1]

　

 

圖1.通用電池充電器充電參數(shù)圖表.

 

起始階段

起始階段在充電過程中雖不屬于真正起作用的那幾個(gè)階段,但在整個(gè)充電過程中,起始階段仍是一個(gè)非常重要的滿足條件. 充電器啟動(dòng)以后開始自測,如電源出現(xiàn)故障或反復(fù)起動(dòng),充電過程就會(huì)被打斷.如果缺乏相應(yīng)智能或時(shí)間關(guān)斷裝置以及電池密 封性能不能得到改善,那么此種現(xiàn)象往往會(huì)被忽視.幾乎所有的充電器在電源出現(xiàn)故障以后都可以完全重新啟動(dòng),但如過充不 被允許,充電器要能夠進(jìn)行特別的自測程序以判斷電池是否早已充滿.電池狀態(tài)要顯現(xiàn)在充電器指示燈或類似的顯示裝置上. （不好的案例：例如只靠定時(shí)的充電器,用四個(gè)小時(shí)間隔的固定時(shí)間給電池充電.如果充電三小時(shí)59分鐘,電源出現(xiàn)故障斷電, 當(dāng)故障清除重新送電以后,充電器又會(huì)開始重新一輪的四小時(shí)固定充電,從而造成電池過充四個(gè)小時(shí).這種結(jié)果往往會(huì)對電池 造成損壞。因此原因,定時(shí)充電器很少被采用。）

充電時(shí)可充電池應(yīng)備條件

當(dāng)電池連接上充電器以后,此充電階段之充電器要能夠有所感應(yīng)顯示以及彼電池是否可以進(jìn)行充電.一般當(dāng)充電器電源關(guān)斷 的情況下,此電池感應(yīng)裝置通常根據(jù)充電器接頭的端口電壓來進(jìn)行判斷,但當(dāng)電池已經(jīng)反復(fù)過度使用或端口電壓極低的情況下, 這種感應(yīng)裝置往往會(huì)產(chǎn)生問題.作為一種替代方法,充電器經(jīng)常根據(jù)溫度或電壓瞬時(shí)跳變來達(dá)到上述目的.這種硬件設(shè)置同樣適 用于電池組.

一旦充電器感應(yīng)連接到了可充電電池,它還必須判斷出電池是否具備良好可充條件.在這個(gè)次級階段[限定條件],電池要能夠 被檢測出其基本功能狀態(tài);開路,短路,高溫或是低溫.以此來檢測電池是否具備可充性,一些鉛酸充電器類型特別需要一個(gè)可通過 LED燈來顯示出其充電的主充電流[大約以五分之一的快充額定電流],并允許電池在一固定充電時(shí)間段內(nèi)達(dá)到其特定的電池電壓. 這種技術(shù)對已經(jīng)反復(fù)過度使用的鉛酸[PbSO4]蓄電池,應(yīng)避免出現(xiàn)反接的問題.

對外圍設(shè)備和電池溫度的檢測也是本階段必要條件之一.當(dāng)充電器檢測到電池的溫度過高或過低,一般會(huì)等待一段預(yù)先設(shè)定的 時(shí)間以使其恢復(fù)正常.如在設(shè)定時(shí)間內(nèi)并未恢復(fù)正常,充電器會(huì)自動(dòng)改變充電電流,這個(gè)動(dòng)作相應(yīng)就調(diào)整了電池溫度,所以充電效率 會(huì)大大增加.最后,充電器需要檢測一下與電池的連接狀態(tài)是開路抑或短路.通常開路狀態(tài)容易檢測,而一旦出現(xiàn)短路顯示,就需要進(jìn) 一步確認(rèn),以避免造成事故的發(fā)生.如果所有檢測都獲得通過,就可以給電池充電了.這種設(shè)置相當(dāng)領(lǐng)先,請參閱附圖1

預(yù)先充電條件設(shè)置[自選類型]

有一些充電器[如早期出現(xiàn)的鎳鎘電池]都設(shè)計(jì)有一個(gè)充電前期預(yù)測階段,用以判斷在重新充電前，待測電池是否已‘完全’放電. 所謂‘完全’放電系指每節(jié)電池的端口電壓放電到1V的水平,以去除電解液中的枝狀結(jié)構(gòu),這也是人們?yōu)槭裁唇?jīng)常錯(cuò)誤地理解‘記憶 效應(yīng)’的原因[通常電池一次可充電容量是上次放電容量的104—110百分比].這種所謂的‘記憶效應(yīng)’特指電池內(nèi)部電解液枝狀結(jié) 構(gòu)狀態(tài)的自我恢復(fù)能力,如受到破壞,將減少電池的使用壽命.所以按正常時(shí)間周期進(jìn)行的充放電,往往會(huì)解決這個(gè)問題.

在每次充電前,此預(yù)測階段都會(huì)被自動(dòng)完成,或在電池充電剩余過半顯示[通過連接測試或其它操作]之后.預(yù)測階段一般從一到十小 時(shí)不等.在一小時(shí)之內(nèi)放空電池通常不予考慮.而通過連接電阻縮短預(yù)測階段時(shí)間,會(huì)產(chǎn)生散熱困難的問題.而大于十小時(shí)的階段設(shè)計(jì) 也往往不被采用,除非可以用手動(dòng)方式開始探測減少的電池容量.因此,由于對鎳鎘電池’記憶效應(yīng)’的不知和種種誤解,設(shè)計(jì)人員應(yīng) 避免在充電器上設(shè)置相關(guān)按鈕來與此’效應(yīng)’進(jìn)行對抗.

快充階段及充電終止

快充和終止充電方式使用要根據(jù)蓄電池及其它設(shè)計(jì)因素考慮.以下探討涉及到當(dāng)今通用蓄電池快充技術(shù)的全面使用.如需詳細(xì)建 議資料,可與電池制造商應(yīng)用部門聯(lián)系查詢.

鎳鎘,鎳氫蓄電池

鎳鎘和鎳氫蓄電池的快充程序非常類似,主要區(qū)別在于充電的終止階段.在每一個(gè)樣例中,當(dāng)充電器監(jiān)測電池電壓及其它數(shù)據(jù),以 判斷何時(shí)終止充電時(shí),都需要一個(gè)恒定電流.超過2C的充電電流是可以做到的,但一般最常用C/2左右的電流.因充電效率無論怎樣都 要小于100%, 所以用C/2電流稍多于兩個(gè)小時(shí)的全充是可以被接受的.

在恒流充電階段,電池端口電壓緩慢上升,最終到達(dá)頂點(diǎn)[即坡度為零的電壓最高點(diǎn)].鎳氫電池應(yīng)在此點(diǎn)[0DV點(diǎn)]終止充電.而鎳鎘 電池則應(yīng)在此點(diǎn)之后某點(diǎn)[系電池端口電壓首次出現(xiàn)微小降低點(diǎn)即-DV點(diǎn)]結(jié)束,請參閱圖2,可允許有少部分過充.快充如超過這兩個(gè)設(shè) 定關(guān)斷點(diǎn)[最高電壓點(diǎn)和略小的-DV點(diǎn)],都會(huì)對電池造成損壞.這是因?yàn)榭斐潆娏鬟h(yuǎn)大于正常慢充狀態(tài)所致.

圖2.對鎳鎘電池用C/2電流進(jìn)行充電的參數(shù)特性

以大于C/2電流充電[充電時(shí)間不會(huì)超過兩個(gè)小時(shí)],充電器仍要監(jiān)測電池溫度和電壓.因?yàn)楫?dāng)電池充滿時(shí),電池溫度將上升很快,所以 溫度監(jiān)測元件要啟動(dòng)另一關(guān)斷裝置.在這正向上升溫度曲線上的關(guān)斷點(diǎn)被稱為T關(guān)斷點(diǎn).除溫度關(guān)斷外,其它監(jiān)測數(shù)據(jù),包括已充時(shí)間,最 大限定電池保護(hù)電壓,都可參預(yù)充電器關(guān)斷.所以設(shè)計(jì)成功的充電器自動(dòng)關(guān)斷應(yīng)依據(jù)這幾種監(jiān)測因素[溫度關(guān)斷,充電時(shí)間關(guān)斷,電池最大 限定電壓關(guān)斷等]的組合.

備注;當(dāng)電池首次充電,會(huì)產(chǎn)生模仿關(guān)斷狀態(tài)的特定效應(yīng),因此在激活關(guān)斷模式監(jiān)測曲線前,充電器會(huì)引入一個(gè) 一到五分鐘的緩沖期.另外,充電關(guān)斷狀態(tài)在低于C\8電流充電時(shí)很難監(jiān)測到數(shù)據(jù),這是因?yàn)榕c其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)比較, 電壓和溫度曲線[V/t和T/t]斜率很小所致.為快速充電的安全起見,這些系統(tǒng)中的硬軟件配置總是會(huì)造成充電器提 前關(guān)斷的誤操作動(dòng)作.

 

鋰離子電池

鋰離子蓄電池充電曲線和鎳離子蓄電池相比很不一樣.充電關(guān)斷要確定到最大安全值之后才會(huì)動(dòng)作.鋰電充電器要將充電電壓控制 在小于0.75%的精確范圍內(nèi),并且其最大充電效率用充電電流限定控制,非常類似臺式桌面型直流電源. 當(dāng)快充開始時(shí),電池端口電壓相 對較低,充電電流就等同于其限定電流值.

在充電過程中,電池電壓緩慢上升.最后,充電電流到達(dá)設(shè)定峰值,充電電壓上升到每節(jié) 4.2V的浮充電壓水平[見圖4]

圖4.鋰離子蓄電池充電簡圖.

當(dāng)電池充電到浮充電壓水平,充電器就可以終止充電了,但這種方式忽略了充電峰頂值關(guān)斷操作.如在浮充電壓階段,充電器會(huì)開始 定時(shí)器的操作,在一段設(shè)定緩沖期后,自動(dòng)終止充電.另一方式,也可監(jiān)測充電電流,在一個(gè)較低電流水平關(guān)斷[典型地用0.05的限定值, 一些制造商建議使用相對較高的100mA電流最小值].充電峰值關(guān)斷環(huán)路往往也依靠這種技術(shù).

最近幾年,在鋰離子電池和其充電器,以及對這種新型電池的了解方面,都取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展.最早期的鋰離子電池在用戶的使用方 面都有一些安全層面的缺點(diǎn),而這些問題已不會(huì)出現(xiàn)在當(dāng)今設(shè)計(jì)成功的系統(tǒng)上了.制造商們的建議既不會(huì)一成不變,也不會(huì)完全一致, 而鋰離子電池技術(shù)會(huì)繼續(xù)向前發(fā)展.

鋰聚合物電池的充電要求和鋰離子電池的要求是一樣的，可以按同類對待。

最新出現(xiàn)的磷酸鐵鋰電池的電壓比鋰離子電池的額度電壓要低0.4V左右，充電的恒壓電壓設(shè)定值為3.7V/節(jié)為宜。充電的方式與 鋰離子電池基本相同（注意只是電壓要低一些?。?/p>

 

鉛酸電池.

鉛酸[PbSO4]蓄電池既可以用限流充電,也可以用較通用簡單的限壓充電.限壓充電與前者具有類似的作用功能,而高精確性并非是 其關(guān)鍵.這需要設(shè)置一個(gè)高于電池浮充電壓的限流電壓源[大約2.45V左右].

經(jīng)過預(yù)設(shè)狀態(tài)操作,充電器確認(rèn)開始快充,一直延續(xù)到最小充電電流[這個(gè)過程類似鋰離子電池充電器],然后快充終止.這時(shí)充電器 需要一段Vf浮充電壓進(jìn)行維護(hù)[通常用2.25V左右電壓].鉛酸[PbSO4]蓄電池允許在非確定階段用此浮充電壓進(jìn)行維護(hù)[見圖5].

圖5.鉛酸[PbSO4]蓄電池充電簡圖.

 

在高溫環(huán)境下,對鉛酸[PbSO4]蓄電池進(jìn)行快充的電流要根據(jù)每攝氏度0.3百分比的標(biāo)準(zhǔn)溫度系數(shù)進(jìn)行調(diào)低.快充時(shí)設(shè)定最大電池溫度 建議在50’C左右,但浮充一般可以超過這個(gè)溫度.

 

可選擇的涓流充電[適合除鋰離子電池外的其它蓄電池]

除鋰離子電池外,其它蓄電池充電器經(jīng)常設(shè)置有一個(gè)可供選擇的涓流充電階段.這個(gè)階段的設(shè)置可以用來補(bǔ)償電池充滿后本體的自放電 現(xiàn)象.鉛酸[PbSO4]電池自放電率最大[每天呈數(shù)個(gè)百分點(diǎn)],而鋰離子電池最低.鋰離子電池的自放電率有時(shí)低到已無需涓充來維護(hù).然而, 鎳鎘[NiCds]蓄電池卻經(jīng)常,不定地需要C/16的涓充電流以進(jìn)行維護(hù).對鎳氫[NiMH]蓄電池而言,安全的持續(xù)放電電流經(jīng)常在C/50左右,而涓 流充電一般不被建議.

續(xù)放電電流經(jīng)常在C/50左右,而涓 流充電一般不被建議.