電池與充電管理：選擇與權(quán)衡因素

關(guān)鍵詞：電池管理、 充電管理、電源管理、鎳鎘電池、NiCd、鎳氫、NiMH、PowerFET、德州儀器、TI

引言

便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以選擇各種各樣的化學(xué)技術(shù)、充電器拓?fù)湟约?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/充電">充電管理解決方案。選擇一款最為合適的解決方案應(yīng)該是一項(xiàng)很簡(jiǎn)單的工作，但是在大多數(shù)情況下這一過(guò)程頗為復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員需要在性能、成本、外形尺寸以及其他關(guān)鍵要求方面找到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。本文將為廣大設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)工程師提供一些指導(dǎo)和幫助以使得該選擇工作變得更為輕松。

以 3 “C”開(kāi)始實(shí)現(xiàn)充電控制

所有使用可充電電池的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都需要清楚一些基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)，以確保滿(mǎn)足下面三個(gè)關(guān)鍵的要求：

1、電池安全性: 毋庸置疑，終端用戶(hù)安全是所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮的問(wèn)題。大多數(shù)鋰離子 (Li-Ion) 電池組和鋰聚合物 (Li-Pol) 電池組都含有保護(hù)電子電路。然而，還有一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素。其中包括但不局限于確保在鋰離子電池充電最后階段期間 1% 的穩(wěn)壓容限、安全處理深度放電電池的預(yù)處理模式、安全計(jì)時(shí)器以及電池溫度監(jiān)控。

2、電池容量：所有的電池充電解決方案都要確保在每一次和每一個(gè)充電周期都能將電池容量充至充滿(mǎn)狀態(tài)。過(guò)早的終止充電會(huì)導(dǎo)致電池運(yùn)行時(shí)間縮短，這是當(dāng)今高功耗的便攜式設(shè)備所不希望的。

3、電池使用壽命：遵循建議的充電算法是確保終端用戶(hù)實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池組最多充電周期的重要一步。利用電池溫度和電壓限定每一次充電、預(yù)處理深度放電電池并避免過(guò)晚或非正常充電終止是最大化電池使用壽命所必須的一些步驟。

表 1 充電控制總結(jié)

電池化學(xué)技術(shù)的選擇

現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在多種電池化學(xué)技術(shù)中進(jìn)行選擇。設(shè)計(jì) 人員通常會(huì)根據(jù)下面的一些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電池化學(xué)技術(shù)的選擇，其中包括：
能量密度
規(guī)格和外形尺寸
成本
使用模式和使用壽命

近年來(lái)，盡管使用鋰離子電池和鋰聚合物電池的趨勢(shì)增強(qiáng)，但是 Ni 電池化學(xué)技術(shù)仍然是諸多消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用一個(gè)不錯(cuò)的選項(xiàng)。

無(wú)論選擇何種電池化學(xué)技術(shù)，遵循每一種電池化學(xué)技術(shù)的正確充電管理技術(shù)都是至關(guān)重要的。這些技術(shù)將確保電池在每一次和每個(gè)充電周期都能被充至最大容量，而不會(huì)降低安全性或縮短電池使用壽命。

NiCd / NIMH

在一個(gè)充電周期開(kāi)始之前，并且盡可能在開(kāi)始快速充電之前對(duì)鎳鎘 (NiCd) 電池和鎳氫 (NiMH) 電池必須要進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)節(jié)。如果電池電壓或溫度超出了允許的極限是不允許進(jìn)行快速充電的。出于安全考慮，對(duì)所有“熱”電池（一般高于 45C）的充電工作都會(huì)暫時(shí)終止，直到電池冷卻到正常工作溫度范圍內(nèi)才會(huì)再次運(yùn)轉(zhuǎn)。要想處理一個(gè)“冷”電池（一般低于 10C）或過(guò)度放電的電池（每節(jié)電池通常低于 1V），需要施加一個(gè)溫和的點(diǎn)滴式電流。

當(dāng)電池溫度和電壓正確時(shí)快速充電開(kāi)始。通常用 1C 或更低的恒定電流對(duì) NiMH 電池進(jìn)行充電。一些 NiCd 電池可以用高達(dá) 4C 的速率進(jìn)行充電。采用適當(dāng)?shù)某潆娊K止來(lái)避免有害的過(guò)充電。

就鎳基可充電電池而言，快速充電終止基于電壓或溫度。如圖 1 所示，典型的電壓終止方法是峰值電壓探測(cè)，在峰值時(shí)即每個(gè)電池的電壓在 0～-4mV 范圍內(nèi)，快速充電被終止?；跍囟鹊目焖俪潆娊K止方法是觀(guān)察電池溫度上升率 T/t 來(lái)探測(cè)完全充電。典型的 T/t 率為 1C/每分鐘。

圖 1 鎳電池化學(xué)技術(shù)的充電曲線(xiàn)