技术热线: 4007-888-234

所有的充电器都各不相同

更新时间: 2019-03-23
阅读量:2767

所有的充电器都各不相同

       电池的可靠性和使用寿命在很大程度上取决于充 电器的好坏。在价格竞争异常激烈的市场上,尤其是消费电子产品市场,充电器往往得不到充分的重视。本文把充电器比作电池的守护神,并且对人们建议使用的充电方法进行了分析比较——这些充电方法能够提高镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li-ion)电池的性能。对于牵涉到公共安全的无线通讯设备以及其他关键的产品,由于电池不可以出现故障,因此,电池和充电器特别重要。
温度过高会缩短电池的使用时间,因此,在充电期间,电池应当一直保持低温状态。然而,镍基电池在充电时,温度上升一些,是无法避免的。当电池接近充满电时,温度会上升到最高,然后,在电池切换到连续小电流充电方式之后,温度也会随之渐渐下降,最终下降到与室温相同。
       如果电池已经处于“充好电”状态,而在此之后的几小时里,其温度仍然高于室温,那么,这个充电器必定存在故障。当电池充满电时,就要把它从充电器里拿出来,因为任何长时间的小电流充电都有可能损坏电池。对于镍氢电池要特别小心,因为镍氢材料不能很好地吸收过多的电量。
       锂电池在充电过程中不会发热,但是,如果一旦出现发热的情况,那一定是电池或者充电器出问题了,不能再使用。

镍基充电器分为三类:
       慢速充电器:慢速充电器,也叫做“夜间充电器”,它采用一种充电速度大致固定在0.1C(额定容量的十分之一)的充电方法,只要电池一接入充电器,就开始充电,充电时间为14到16个小时。无绳电话、便携式CD播放机以及其他类似的消费电子产品使用的就是这种慢速充电器。
       急速充电器:在这三种充电器当中,急速充电器在充电时间和价格方面都属于中等。它的充电时间为3到6个小时,在电池充满电时,就立即切换到连续补充充电方式。急速充电器适用于镍基电池或者锂离子电池,同时,也适用于商用产品,例如,蜂窝电话、膝上型电脑和数码摄像机。
       快速充电器:快速充电器具有许多优点,最明显的优点就是充电时间非常短。它以1C的速度充电,对于一个完全没电的镍镉电池或者镍氢电池,通常只要一个小时多一点就可以充好电。同时,它还具有精确的满电量检测功能——这个功能也很重要。一旦电池充满电,充电器就会切换到小电流充电状态,进入连续补充充电方式。通讯产品所使用的充电器一般都是快速充电器。它可以以最快的速度把完全没电的电池充满电。快速充电器也适用于工业设备,例如,双向无线通讯设备、摄像机和电动工具等。
要注意以下几点:
● 适用于镍氢电池的充电器,同样也可以用来给镍镉电池充电,但是用于镍镉电池的充电器不能用来对镍氢电池充电。用一个专门为镍镉电池设计的充电器来给镍氢电池充电,会导致镍氢电池的过度充电。
● 镍基电池最好用快速充电,因为快速充电会减少结晶的形成(记忆作用)。
● 镍基电池和锂电池使用两种不同的充电算法,因此,在通常情况下,不能用同一个充电器对这两种不同的化学材料制成的电池充电。
● 如果不是定期使用充电器,在使用之前,应该把电池从充电器里拿出来,在使用前进行小电流充电,不要把电池留在充电器里等着要用时才拿出来用。
 

给镍镉电池充电
       电池制造商建议,当你拿到一块新的镍镉电池时,在使用前,先进行24小时慢速充电。因为电池组里的每个电池的自放电速度都不一样,这样做,可以使电池组里所有的电池的电量都相等。通过最初的连续补充充电,还可以重新分配电解液,排除分离器上的干燥点,之所以会出现这些干燥点,是在长期存放过程中电解液的重力所造成的。
       一些电池制造商在电池出厂前,电池并没有完全达到指标的要求。无论是通过电池分析器还是在正常的使用过程中,只有经过多个充放电周期把电池充满电,它才能达到指标。在某些情况下,一个镍基电池可能需要经过50到100次的充放电周期。高质量的电池,例如Sanyo和Panasonic公司制造的电池,在经过5至7次充放电之后,性能就达到指标。开始时的读数可能前后不一,但是在经过这个过程之后,它的容量就稳定下来。在充电100次和300次之间,容量略有上升。
       大部分可充电电池都具有一个用来释放因过度充电而产生的过大压力的安全气孔。当压力达到每平方英寸为150至200磅时,镍镉电池上的安全气孔就会打开。(汽车轮胎的压力大约是35磅/平方英寸。)有了这个可以再次封闭的气孔,电池就不会因为压力过大而受到任何损害,但是,会流失一些电解液,而且,在以后密封仍会出现泄漏的现象。如果有白色的粉末堆积在开着的气孔上,这表示它正在释放压力。
       商用充电器在设计时,首先考虑的不是对电池是否有利。对于通过测量温度来确定电池电量的充电器来讲,更是如此。这个方法很简单,而且也不贵,但是,完全依靠温度来决定是否应该结束充电,这个方法并不精确。
       比较先进的镍镉电池充电器可以测量出温度上升的速度。根据dT/dt的定义,这个电池上的电量检测系统比起采用固定温度分界点的方法要好很多,然而,电池仍然需要通过产生一些热量来触发这个检测功能。
       我们可以通过微控制器来监测电池的电压,并且在出现某个电压信号时结束充电,从而实现更为精确的满电量检测功能。当电压一旦出现下降的情况,就表示电池已经充满了。正如负增量电压(NDV),在镍镉电池以0.5C或者更高的速度充电时,这个现象就极其明显。由于电池老化和电池不匹配的问题会产生电压增量,因此,使用NDV的充电器还必须监测电池的温度。
       快速充电提高了充电效率。以1C的速度充电,效率为1.1或者91%,对于一个没有电的电池来说,只需要略多于一个小时的充电时间。以0.1C的速度充电,效率为1.4或者71%,对于同样的电池来说,大约需要14个小时的充电时间。对于已经充了一段时间或者是还残留有部分电量的电池来说,充电时间会更短。
       在电池电量达到70%之前,镍镉电池几乎是100%地吸收能量。几乎所有的能量都能够被吸收,同时,电池也保持在较低的温度。可以用几倍于充电速度的电流充电,而不会引起温度的升高。超快速充电器利用这个现象,可以在短短的几分钟内把电池充到总容量的70%左右,然后再以较低的速度充电,直至电池完全充满为止。
       当电量一旦超过70%,电池就渐渐失去吸收新能量的能力了。压力越来越大,温度越来越高。为了把电池充满,一些充电器还允许出现短时间的过度充电。图1表示镍镉电池在充电时,电池的电压、压力和温度之间的关系。
 


1镍镉电池的充电特性。镍镉电池的电压、压力和温度特性与镍氢电池非常相似。

       如果以1C或者更高的速度充电,超高容量的镍镉电池的温度会比标准镍镉电池的高很多。这部分是因为电池内部的电阻更大了。为了减少热量的累积,并且保持较短的充电时间,先进的充电器在开始充电时使用较高的电流,然后再降低电流,这样,可以和这个电池的电荷吸收状态保持一致。
       在充电脉冲之间的分散放电脉冲可以提高镍基电池的电荷吸收程度。这个方法通常称作逆向负载充电,它增加了电极的表面积,从而提高在充电期间所产生的气体间的再次结合。这样就可以减少记忆效应并延长工作时间,从而,提高电池的性能。
       经过最初的快充,一些充电器使用一个定时溢顶充电,然后再进入连续补充充电。对于镍镉电池来说,建议补充充电速度在0.05和0.1C之间。考虑到镍氢电池在存储器和兼容性方面的问题,现在的充电器更倾向于使用更低的连续补充充电电流。
 

给镍氢电池充电
       用于镍氢电池的充电器和镍镉系统非常相似,但是,它的电子电路比较复杂。镍氢电池在电量充满时会产生一个非常小的压降,而且,在温度较高时,当充电速度低于 0.5C,NDV就几乎不存在。老化的电池匹配会进一步降低已经很小的电压增量。
       镍氢电池充电器必须对每个电池8到16mV的压降做出响应。因为由电池和充电器所产生的电压波动和噪声可能会把NDV检测电路搞糊涂,所以如果充电器太灵敏,就有可能会在充到一半时,通过电量来结束快速充电。大部分现在的快速镍氢充电器把NDV、温度增加速度(dT/dt)、温度感应与超时计时器整合在一起。这个充电器根据这三个数据中最先出现的参数,结束快速充电。
       镍氢电池允许存在一个很短的过度充电,这样可以比通过那些较不主动的充电方法充入更多的电量。对于一个好电池来说,能增加6%左右的电量。逆向充电会缩短电池的寿命。电池可能在充过300次之后就报废了,而不是350至400次。
       镍氢电池最好用急速充电,而不是慢速充电的方法。由于镍氢电池无法很好地吸收过多的电量,因此,其连续补充充电速度必定要比镍镉电池慢很多,大约在0.05C左右。这就可以用来解释为什么不能用原来的镍镉充电器来给镍氢电池充电了。
       以慢速充电的方法给镍氢电池充电是很困难的,如果说不是不可能的话。在0.1和0.3C的充电速度下,电压和温度无法体现规定的特性,不能精确地检测满电量状态,此外,充电器还需要用一个计时器。如果只充了一部分电或充满电的电池用一个固定的定时器充电,就会出现有害的过充充电。如果电池已经老化了,而且只能容纳50%的电量而不是100%,那么,同样的情况还会出现。即使镍氢电池摸起来温度不高,但是可能已经过度充电了。
       低价位的充电器不适合用完全饱和的充电方法。只有当达到给定的电压峰值,或者检测其达到温度上限,才会启动满电量检测。一般来说,这些充电器的充电时间都较短,价格也比较公道。一些超快速充电器同样也无法把电池完全充满。
 

给锂离子电池充电
       镍基电池充电器是限流器件,而锂离子电池充电器是限压器件。锂电池的充电方法只有一种。而所谓的据说能把电池充满并延长其使用时间的“特效充电器”,对于锂电池来说,不存在这样的东西。因为,根本不存在所谓的超快速充电方法。锂电池的供应商对充电步骤做出非常严格的规定。
       早期的石墨系统要求每个电池的电压必须限制在4.10V。尽管更高的电压能够提供更高的容量,但是,如果一旦超过每个电池4.10V的上限,电池的氧化作用会缩短它的使用时间。我们利用化学添加剂解决了这个问题。现在,大部分锂离子电池都可充到4.20V,每个电池都允许存在?.05V的误差。
       大部分充电器的充电时间在3个小时左右。在充电过程中,电池保持较低的温度。当电压达到电压上限的同时电流降低并且保持平稳,那么,电池就已经充满了。
       增加充电电流不会大幅度地缩短充电时间。尽管在电流达到峰值之前,电压已经达到上限,溢顶充电需要更多的时间。图2表示在锂离子电池经过第一个阶段和第二个阶段时,充电器的电压和电流的变化。
 


2 锂离子电池的充电过程。提高锂离子的充电电流并不会明显缩短充电时间。尽管电流更高,达到电压峰值的时间越短,但是,溢顶充电需要更多的时间。

       据说有的充电器可以在一个小时甚至更短的时间内快速地把锂离子电池充满。这样的充电器在第一个阶段结束时到达电压上限,然后直接进入“完成”状态,省去了第二个步骤。在这个点上,电量水平大约只有电池总容量的70%左右。溢顶充电需要的时间一般是最初的充电时间的两倍。
       由于锂材料不能吸收过多的电荷,因此不能用连续补充充电。连续补充充电可能会引起金属锂出现电镀现象,这会使电池变得不稳定。不同的是,它用短时间的溢顶充电来补偿电池自放电和它的保护电路所消耗的微弱的电量。具体得取决于电池的需要,溢顶充电可能需要每20天进行一次。特别是,当暴露在外面的接线端的电压降至每个电池4.05V时,它就开始充电,并且当每个电池的电压达到4.20V时,就停止充电。
       如果一不留神,电池过度充电了,那又会怎样呢?尽管在设计时,考虑到必须让锂离子电池在正常的工作电压范围内安全地工作,但是,如果电压超过正常值时,它就会渐渐地变得不稳定。当电压超过4.30V时,电池会引起阳极上的锂金属出现电镀现象;阴极的材料开始氧化,变得不稳定,同时释放氧气。过度充电会导致电池温度上升。
       为了防止出现过度充电和过度放电,人们非常重视锂离子材料的安全问题。商用铝离子电池中有一个保护电路,它可以防止在充电时电池电压升得过高。每个电池的电压上限通常为4.30V。当电池的温度接近90℃时,温度检测电路会充电停止;同时,如果一旦超出安全的压力范围,电池上的机械压力开关会永久地切断电流通路。这种方法不能用在一些锰电池组上,这种电池组中有一个或两个很小的电池。
       锂聚合物电池的充电过程与锂离子电池相似。这些电池用一种胶状的电解液来提高导电性能。
 

在高温和低温下给电池充电
       可充电电池可以在一个相当宽的温度范围内工作。然而,它不能自动调整以适应在这些极端的环境下充电。尽管不能完全避免高温与低温的情况,但是,当在给一块电池再次充电时,这往往是在用户的控制下进行的。尽可能在室温下给电池充电。没有一块商用电池可以在零度以下的温度充电。
       镍基电池只能在10到30℃之间快速充电。当温度低于5℃时,把氧元素和氢元素重新结合在一起的能力开始下降,并且,由此产生的压力可能会导致电池通过排气孔排气。
       在较高的温度下,镍基电池电量吸收程度明显下降。如果在适当的室温下充电,可以充到100%,而如果在45℃下充电,只能充到70%。这就可以解释为什么在夏天车载充电器的性能会那么差。
       在整个温度范围内,锂电池的充电性能非常好。当温度低于5℃时,充电速度应该低于1C。因为会出现锂金属电镀的现象,所以要避免在温度很低情况下充电。
       Cadex的通用调节型充电器(UCC)里面有一个温度传感器,它可以在电池温度非常低的情况下采用连续补充充电的方法,当电池的温度过高时,就停止充电。这些先进的充电器使用反向负载充电,并通过NDV、dT/dt传感器和计时器来检测充电是否已经完成。智能电池适配器把充电器设置成正确的充电算法。UCC充电器有单路、双路和六路(图3)三种配置。双路的产品是装在车上的。

 

3 Cadex通用充电器具有一路、两路和六路三种配置。智能电池适配器可以用同一个充电器为不同类型的电池充电。这个车用UCC2可以经受住撞击和震动。

小结
       商用快速充电器在设计时,首要考虑的不是电池的性能。两个常见的电池“杀手”是在充电期间的高温和充电完成之后不正确的连续补充充电。