如何為您的電池組設計出優(yōu)秀的電池充電器方案

 

 在可充電池化學電池或物理電池的運用過程中，充電器是其成功運用的重要裝置， 所以可充電池一出世，充電器便是個關鍵問題，因為充電器的好壞直接影響到電池的兩個重要技術指標：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間按指數(shù)規(guī)律下降這一規(guī)律后， 才證實恒流或恒壓充電均不是最適合的方法。因為恒流充電時，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，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)充電曲線研究實驗，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行恒流或恒壓充電，當電池電壓達到 一定程度，然后對電池進行涓流充電：所謂三段式一般是首先對電池進行恒流充是，待電池電壓達到電壓閥值后轉(zhuǎn)化為第二階段，即所謂限壓充 電階段，當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，由于實際運用的需要，往往還希望對電池進行快速充電．影響充 電器快速充電還有兩個重要因素：一是極化電壓：二是記憶效應，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 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。上述兩種效應應該在充電控制器設計中予以重視。

 

實際上，充電控制器在近年采取得了長足的發(fā)展，一個明顯的標志就是世界上大多數(shù)的半導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重要事實，即充電電池并不是工作于理想狀態(tài)， 每個電池都有自己獨特的個性．確切地說每個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態(tài)變 化的，這就意味著好的充電控制模式應該是變化的，而且應該與電池的充放電曲線變化一致才是最佳的。事實上，每個電池在充電的任意時刻總 存在一個最佳的充電電流和充電模式的，問題是我們?nèi)绾尾拍鼙平@個最佳值。 

綜合起來，判斷規(guī)則有如下幾種：

●定時控制；

●電壓控制(含最高電壓：電壓負增量：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，對每個指標進行跟蹤，并按模糊數(shù)學原理分別記分，按照置信度做出最佳判斷。 電池快速充電分為幾個階段,見本文所述及通用充電器運行簡圖.[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階段,但在整個充電過程中,起始階段仍是一個非常重要的滿足條件. 充電器啟動以后開始自測,如電源出現(xiàn)故障或反復起動,充電過程就會被打斷.如果缺乏相應智能或時間關斷裝置以及電池密 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,但如過充不 被允許,充電器要能夠進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：例如只靠定時的充電器,用四個小時間隔的固定時間給電池充電.如果充電三小時59分鐘,電源出現(xiàn)故障斷電, 當故障清除重新送電以后,充電器又會開始重新一輪的四小時固定充電,從而造成電池過充四個小時.這種結(jié)果往往會對電池 造成損壞。因此原因,定時充電器很少被采用。）

充電時可充電池應備條件

當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顯示以及彼電池是否可以進行充電.一般當充電器電源關斷 的情況下,此電池感應裝置通常根據(jù)充電器接頭的端口電壓來進行判斷,但當電池已經(jīng)反復過度使用或端口電壓極低的情況下, 這種感應裝置往往會產(chǎn)生問題.作為一種替代方法,充電器經(jīng)常根據(jù)溫度或電壓瞬時跳變來達到上述目的.這種硬件設置同樣適 用于電池組.

一旦充電器感應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間段內(nèi)達到其特定的電池電壓. 這種技術對已經(jīng)反復過度使用的鉛酸[PbSO4]蓄電池,應避免出現(xiàn)反接的問題.

對外圍設備和電池溫度的檢測也是本階段必要條件之一.當充電器檢測到電池的溫度過高或過低,一般會等待一段預先設定的 時間以使其恢復正常.如在設定時間內(nèi)并未恢復正常,充電器會自動改變充電電流,這個動作相應就調(diào)整了電池溫度,所以充電效率 會大大增加.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 一步確認,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.這種設置相當領先,請參閱附圖1

預先充電條件設置[自選類型]

有一些充電器[如早期出現(xiàn)的鎳鎘電池]都設計有一個充電前期預測階段,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)常錯誤地理解‘記憶 效應’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’特指電池內(nèi)部電解液枝狀結(jié) 構(gòu)狀態(tài)的自我恢復能力,如受到破壞,將減少電池的使用壽命.所以按正常時間周期進行的充放電,往往會解決這個問題.

在每次充電前,此預測階段都會被自動完成,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.預測階段一般從一到十小 時不等.在一小時之內(nèi)放空電池通常不予考慮.而通過連接電阻縮短預測階段時間,會產(chǎn)生散熱困難的問題.而大于十小時的階段設計 也往往不被采用,除非可以用手動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’的不知和種種誤解,設計人員應 避免在充電器上設置相關按鈕來與此’效應’進行對抗.

快充階段及充電終止

快充和終止充電方式使用要根據(jù)蓄電池及其它設計因素考慮.以下探討涉及到當今通用蓄電池快充技術的全面使用.如需詳細建 議資料,可與電池制造商應用部門聯(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.在每一個樣例中,當充電器監(jiān)測電池電壓及其它數(shù)據(jù),以 判斷何時終止充電時,都需要一個恒定電流.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電流稍多于兩個小時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,最終到達頂點[即坡度為零的電壓最高點].鎳氫電池應在此點[0DV點]終止充電.而鎳鎘 電池則應在此點之后某點[系電池端口電壓首次出現(xiàn)微小降低點即-DV點]結(jié)束,請參閱圖2,可允許有少部分過充.快充如超過這兩個設 定關斷點[最高電壓點和略小的-DV點],都會對電池造成損壞.這是因為快充電流遠大于正常慢充狀態(tài)所致.

圖2.對鎳鎘電池用C/2電流進行充電的參數(shù)特性

以大于C/2電流充電[充電時間不會超過兩個小時],充電器仍要監(jiān)測電池溫度和電壓.因為當電池充滿時,電池溫度將上升很快,所以 溫度監(jiān)測元件要啟動另一關斷裝置.在這正向上升溫度曲線上的關斷點被稱為T關斷點.除溫度關斷外,其它監(jiān)測數(shù)據(jù),包括已充時間,最 大限定電池保護電壓,都可參預充電器關斷.所以設計成功的充電器自動關斷應依據(jù)這幾種監(jiān)測因素[溫度關斷,充電時間關斷,電池最大 限定電壓關斷等]的組合.

備注;當電池首次充電,會產(chǎn)生模仿關斷狀態(tài)的特定效應,因此在激活關斷模式監(jiān)測曲線前,充電器會引入一個 一到五分鐘的緩沖期.另外,充電關斷狀態(tài)在低于C\8電流充電時很難監(jiān)測到數(shù)據(jù),這是因為與其他系統(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造成充電器提 前關斷的誤操作動作.

 

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.充電關斷要確定到最大安全值之后才會動作.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. 當快充開始時,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,充電電流到達設定峰值,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斷操作.如在浮充電壓階段,充電器會開始 定時器的操作,在一段設定緩沖期后,自動終止充電.另一方式,也可監(jiān)測充電電流,在一個較低電流水平關斷[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].充電峰值關斷環(huán)路往往也依靠這種技術.

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?shù)倪M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,而這些問題已不會出現(xiàn)在當今設計成功的系統(tǒng)上了.制造商們的建議既不會一成不變,也不會完全一致, 而鋰離子電池技術會繼續(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 其關鍵.這需要設置一個高于電池浮充電壓的限流電壓源[大約2.45V左右].

經(jīng)過預設狀態(tài)操作,充電器確認開始快充,一直延續(xù)到最小充電電流[這個過程類似鋰離子電池充電器],然后快充終止.這時充電器 需要一段Vf浮充電壓進行維護[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行維護[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]蓄電池進行快充的電流要根據(jù)每攝氏度0.3百分比的標準溫度系數(shù)進行調(diào)低.快充時設定最大電池溫度 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)常設置有一個可供選擇的涓流充電階段.這個階段的設置可以用來補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)個百分點],而鋰離子電池最低.鋰離子電池的自放電率有時低到已無需涓充來維護.然而, 鎳鎘[NiCds]蓄電池卻經(jīng)常,不定地需要C/16的涓充電流以進行維護.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.