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)計人員可以選擇各種各樣的化學(xué)技術(shù)、充電器拓撲以及充電管理解決方案。選擇一款最為合適的解決方案應(yīng)該是一項很簡單的工作，但是在大多數(shù)情況下這一過程頗為復(fù)雜。設(shè)計人員需要在性能、成本、外形尺寸以及其他關(guān)鍵要求方面找到一個最佳平衡點。本文將為廣大設(shè)計人員和系統(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”開始實現(xiàn)充電控制

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

1、電池安全性: 毋庸置疑，終端用戶安全是所有系統(tǒng)設(shè)計中最優(yōu)先考慮的問題。大多數(shù)鋰離子 (Li-Ion) 電池組和鋰聚合物 (Li-Pol) 電池組都含有保護電子電路。然而，還有一些系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的關(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、安全計時器以及電池溫度監(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充電周期都能將電池容量充至充滿狀態(tài)。過早的終止充電會導(dǎo)致電池運行時間縮短，這是當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實現(xiàn)每個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)計人員可以在多種電池化學(xué)技術(shù)中進行選擇。設(shè)計 人員通常會根據(jù)下面的一些標準進行電池化學(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，盡管使用鋰離子電池和鋰聚合物電池的趨勢增強，但是 Ni 電池化學(xué)技術(shù)仍然是諸多消費類應(yīng)用一個不錯的選項。

無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充電周期都能被充至最大容量，而不會降低安全性或縮短電池使用壽命。

NiCd / NIMH

在一個充電周期開始之前，并且盡可能在開始快速充電之前對鎳鎘 (NiCd) 電池和鎳氫 (NiMH) 電池必須要進行檢驗和調(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行快速充電的。出于安全考慮，對所有“熱”電池（一般高于 45C）的充電工作都會暫時終止，直到電池冷卻到正常工作溫度范圍內(nèi)才會再次運轉(zhuǎn)。要想處理一個“冷”電池（一般低于 10C）或過度放電的電池（每節(jié)電池通常低于 1V），需要施加一個溫和的點滴式電流。

當電池溫度和電壓正確時快速充電開始。通常用 1C 或更低的恒定電流對 NiMH 電池進行充電。一些 NiCd 電池可以用高達 4C 的速率進行充電。采用適當?shù)某潆娊K止來避免有害的過充電。

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，在峰值時即每個電池的電壓在 0～-4mV 范圍內(nèi)，快速充電被終止?；跍囟鹊目焖俪潆娊K止方法是觀察電池溫度上升率 T/t 來探測完全充電。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