如何设计优秀的电池充电器
如何为您的电池组设计出优秀的电池充电器方案
在可充电池化学电池或物理电池的运用过程中，充电器是其成功运用的重要装置， 所以可充电池一出世，充电器便是个关键问题，因为充电器的好坏直接影响到电池的两个重要技术指标：可充电池的使用容量；可充电 池的循环使用次数，即使用寿命。然而直到六十年代以前，充电器技术并没有得到长足发展，普遍采用的方法主要是恒流或恒压充电方法， 充电效果不是太理想。这种状况直到六十年代基于最低出气率可充曲线原理发现电池可接受充电电流大小随时间按指数规律下降这一规律后， 才证实恒流或恒压充电均不是最适合的方法。因为恒流充电时，其起始充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，充电时间长， 而在充电后期，最终的充电电流又总是高于电池可接受的程度，因而电池内部气体析出率不断增加，到充电结束时，所有充电电流全部供给气 体析出，电池内部电压迅速增加，电池温度也随之迅速上升，造成每次充电电极上都有活性物质脱落，从而大大降低了电池的寿命，而恒压 充电方法在充电初期电池内阻极低致使充电电流过大，而随时间并不按指数规律下降常偏离制定曲线
根据充电曲线研究实验，又提出了所谓的两段式、三段式或更多段式充电。所谓两段式充电指首先对电池进行恒流或恒压充电，当电池电压达到 一定程度，然后对电池进行涓流充电：所谓三段式一般是首先对电池进行恒流充是，待电池电压达到电压阀值后转化为第二阶段，即所谓限压充 电阶段，当充电电流小到某种程度后转化为第三阶段．即所谓限压充电。另外，由于实际运用的需要，往往还希望对电池进行快速充电．影响充 电器快速充电还有两个重要因素：一是极化电压：二是记忆效应，其中极化电压是在充电过程中，电荷堆积于电池电极上而产生的反问电压，实 际上表现为对电池内阻的增加上，消除它的有效方法是采用负脉冲方法在电池两端瞬间放电去除电极上堆积的电荷．并由此产生了脉冲充电方法： 记忆效应并不是所有电池都有，可以通过多次的充放电即可消除。上述两种效应应该在充电控制器设计中予以重视。
实际上，充电控制器在近年采取得了长足的发展，一个明显的标志就是世界上大多数的半导体厂商大都出品了自己的充电器芯片，有的还带有 中央处理器 (即CPU)。 尽管已经有了多种充电方法，而且也有一定的效果，然而大多忽略了一个重要事实，即充电电池并不是工作于理想状态， 每个电池都有自己独特的个性．确切地说每个充电电池都有自己有别干其它甚至是同类电池的充放电曲线，该曲线甚至在充电过程中还足动态变 化的，这就意味着好的充电控制模式应该是变化的，而且应该与电池的充放电曲线变化一致才是最佳的。事实上，每个电池在充电的任意时刻总 存在一个最佳的充电电流和充电模式的，问题是我们如何才能逼近这个最佳值。
综合起来，判断规则有如下几种：
●定时控制；
●电压控制(含最高电压：电压负增量：电压零增量等)；
●温度控制(包括最高温度，最高温升：温度变化率等)；
●电流控制等。
较好的办法是采用综合判断方法，对每个指标进行跟踪，并按模糊数学原理分别记分，按照置信度做出最佳判断。 电池快速充电分为几个阶段,见本文所述及通用充电器运行简图.[图1]
图1.通用电池充电器充电参数图表.
起始阶段
起始阶段在充电过程中虽不属于真正起作用的那几个阶段,但在整个充电过程中,起始阶段仍是一个非常重要的满足条件. 充电器启动以后开始自测,如电源出现故障或反复起动,充电过程就会被打断.如果缺乏相应智能或时间关断装置以及电池密 封性能不能得到改善,那么此种现象往往会被忽视.几乎所有的充电器在电源出现故障以后都可以完全重新启动,但如过充不 被允许,充电器要能够进行特别的自测程序以判断电池是否早已充满.电池状态要显现在充电器指示灯或类似的显示装置上. （不好的案例：例如只靠定时的充电器,用四个小时间隔的固定时间给电池充电.如果充电三小时59分钟,电源出现故障断电, 当故障清除重新送电以后,充电器又会开始重新一轮的四小时固定充电,从而造成电池过充四个小时.这种结果往往会对电池 造成损坏。因此原因,定时充电器很少被采用。）
充电时可充电池应备条件
当电池连接上充电器以后,此充电阶段之充电器要能够有所感应显示以及彼电池是否可以进行充电.一般当充电器电源关断 的情况下,此电池感应装置通常根据充电器接头的端口电压来进行判断,但当电池已经反复过度使用或端口电压极低的情况下, 这种感应装置往往会产生问题.作为一种替代方法,充电器经常根据温度或电压瞬时跳变来达到上述目的.这种硬件设置同样适 用于电池组.
一旦充电器感应连接到了可充电电池,它还必须判断出电池是否具备良好可充条件.在这个次级阶段[限定条件],电池要能够 被检测出其基本功能状态;开路,短路,高温或是低温.以此来检测电池是否具备可充性,一些铅酸充电器类型特别需要一个可通过 LED灯来显示出其充电的主充电流[大约以五分之一的快充额定电流],并允许电池在一固定充电时间段內达到其特定的电池电压. 这种技术对已经反复过度使用的铅酸[PbSO4]蓄电池,应避免出现反接的问题.
对外围设备和电池温度的检测也是本阶段必要条件之一.当充电器检测到电池的温度过高或过低,一般会等待一段预先设定的 时间以使其恢复正常.如在设定时间内并未恢复正常,充电器会自动改变充电电流,这个动作相应就调整了电池温度,所以充电效率 会大大增加.最后,充电器需要检测一下与电池的连接状态是开路抑或短路.通常开路状态容易检测,而一旦出现短路显示,就需要进 一步确认,以避免造成事故的发生.如果所有检测都获得通过,就可以给电池充电了.这种设置相当领先,请参阅附图1
预先充电条件设置[自选类型]
有一些充电器[如早期出现的镍镉电池]都设计有一个充电前期预测阶段,用以判断在重新充电前，待测电池是否已‘完全’放电. 所谓‘完全’放电系指每节电池的端口电压放电到1V的水平,以去除电解液中的枝状结构,这也是人们为什么经常错误地理解‘记忆 效应’的原因[通常电池一次可充电容量是上次放电容量的104—110百分比].这种所谓的‘记忆效应’特指电池内部电解液枝状结 构状态的自我恢复能力,如受到破坏,将减少电池的使用寿命.所以按正常时间周期进行的充放电,往往会解决这个问题.
在每次充电前,此预测阶段都会被自动完成,或在电池充电剩余过半显示[通过连接测试或其它操作]之后.预测阶段一般从一到十小 时不等.在一小时之内放空电池通常不予考虑.而通过连接电阻缩短预测阶段时间,会产生散热困难的问题.而大于十小时的阶段设计 也往往不被采用,除非可以用手动方式开始探测减少的电池容量.因此,由于对镍镉电池’记忆效应’的不知和种种误解,设计人员应 避免在充电器上设置相关按钮来与此’效应’进行对抗.
快充阶段及充电终止
快充和终止充电方式使用要根据蓄电池及其它设计因素考虑.以下探讨涉及到当今通用蓄电池快充技术的全面使用.如需详细建 议资料,可与电池制造商应用部门联系查询.
镍镉,镍氢蓄电池
镍镉和镍氢蓄电池的快充程序非常类似,主要区别在于充电的终止阶段.在每一个样例中,当充电器监测电池电压及其它数据,以 判断何时终止充电时,都需要一个恒定电流.超过2C的充电电流是可以做到的,但一般最常用C/2左右的电流.因充电效率无论怎样都 要小于100%, 所以用C/2电流稍多于两个小时的全充是可以被接受的.
在恒流充电阶段,电池端口电压缓慢上升,最终到达顶点[即坡度为零的电压最高点].镍氢电池应在此点[0DV点]终止充电.而镍镉 电池则应在此点之后某点[系电池端口电压首次出现微小降低点即-DV点]结束,请参阅图2,可允许有少部分过充.快充如超过这两个设 定关断点[最高电压点和略小的-DV点],都会对电池造成损坏.这是因为快充电流远大于正常慢充状态所致.
图2.对镍镉电池用C/2电流进行充电的参数特性
以大于C/2电流充电[充电时间不会超过两个小时],充电器仍要监测电池温度和电压.因为当电池充满时,电池温度将上升很快,所以 温度监测元件要启动另一关断装置.在这正向上升温度曲线上的关断点被称为T关断点.除温度关断外,其它监测数据,包括已充时间,最 大限定电池保护电压,都可参预充电器关断.所以设计成功的充电器自动关断应依据这几种监测因素[温度关断,充电时间关断,电池最大 限定电压关断等]的组合.
备注;当电池首次充电,会产生模仿关断状态的特定效应,因此在激活关断模式监测曲线前,充电器会引入一个 一到五分钟的缓冲期.另外,充电关断状态在低于C\8电流充电时很难监测到数据,这是因为与其他系统数据比较, 电压和温度曲线[V/t和T/t]斜率很小所致.为快速充电的安全起见,这些系统中的硬软件配置总是会造成充电器提 前关断的误操作动作.
锂离子电池
锂离子蓄电池充电曲线和镍离子蓄电池相比很不一样.充电关断要确定到最大安全值之后才会动作.锂电充电器要将充电电压控制 在小于0.75%的精确范围内,并且其最大充电效率用充电电流限定控制,非常类似台式桌面型直流电源. 当快充开始时,电池端口电压相 对较低,充电电流就等同于其限定电流值.
在充电过程中,电池电压缓慢上升.最后,充电电流到达设定峰值,充电电压上升到每节 4.2V的浮充电压水平[见图4]
图4.锂离子蓄电池充电简图.
当电池充电到浮充电压水平,充电器就可以终止充电了,但这种方式忽略了充电峰顶值关断操作.如在浮充电压阶段,充电器会开始 定时器的操作,在一段设定缓冲期后,自动终止充电.另一方式,也可监测充电电流,在一个较低电流水平关断[典型地用0.05的限定值, 一些制造商建议使用相对较高的100mA电流最小值].充电峰值关断环路往往也依靠这种技术.
最近几年,在锂离子电池和其充电器,以及对这种新型电池的了解方面,都取得了相当的进展.最早期的锂离子电池在用户的使用方 面都有一些安全层面的缺点,而这些问题已不会出现在当今设计成功的系统上了.制造商们的建议既不会一成不变,也不会完全一致, 而锂离子电池技术会继续向前发展.
锂聚合物电池的充电要求和锂离子电池的要求是一样的，可以按同类对待。
最新出现的磷酸铁锂电池的电压比锂离子电池的额度电压要低0.4V左右，充电的恒压电压设定值为3.7V/节为宜。充电的方式与 锂离子电池基本相同（注意只是电压要低一些！）
铅酸电池.
铅酸[PbSO4]蓄电池既可以用限流充电,也可以用较通用简单的限压充电.限压充电与前者具有类似的作用功能,而高精确性并非是 其关键.这需要设置一个高于电池浮充电压的限流电压源[大约2.45V左右].
经过预设状态操作,充电器确认开始快充,一直延续到最小充电电流[这个过程类似锂离子电池充电器],然后快充终止.这时充电器 需要一段Vf浮充电压进行维护[通常用2.25V左右电压].铅酸[PbSO4]蓄电池允许在非确定阶段用此浮充电压进行维护[见图5].
图5.铅酸[PbSO4]蓄电池充电简图.
在高温环境下,对铅酸[PbSO4]蓄电池进行快充的电流要根据每摄氏度0.3百分比的标准温度系数进行调低.快充时设定最大电池温度 建议在50’C左右,但浮充一般可以超过这个温度.
可选择的涓流充电[适合除锂离子电池外的其它蓄电池]
除锂离子电池外,其它蓄电池充电器经常设置有一个可供选择的涓流充电阶段.这个阶段的设置可以用来补偿电池充满后本体的自放电 现象.铅酸[PbSO4]电池自放电率最大[每天呈数个百分点],而锂离子电池最低.锂离子电池的自放电率有时低到已无需涓充来维护.然而, 镍镉[NiCds]蓄电池却经常,不定地需要C/16的涓充电流以进行维护.对镍氢[NiMH]蓄电池而言,安全的持续放电电流经常在C/50左右,而涓 流充电一般不被建议.
续放电电流经常在C/50左右,而涓 流充电一般不被建议.