电池与充电管理：选择与权衡因素

关键词：电池管理、 充电管理、电源管理、镍镉电池、NiCd、镍氢、NiMH、PowerFET、德州仪器、TI

引言

便携式电子设备设计人员可以选择各种各样的化学技术、充电器拓扑以及充电管理解决方案。选择一款最为合适的解决方案应该是一项很简单的工作，但是在大多数情况下这一过程颇为复杂。设计人员需要在性能、成本、外形尺寸以及其他关键要求方面找到一个最佳平衡点。本文将为广大设计人员和系统工程师提供一些指导和帮助以使得该选择工作变得更为轻松。

以 3 “C”开始实现充电控制

所有使用可充电电池的系统设计人员都需要清楚一些基础设计技术，以确保满足下面三个关键的要求：

1、电池安全性: 毋庸置疑，终端用户安全是所有系统设计中最优先考虑的问题。大多数锂离子 (Li-Ion) 电池组和锂聚合物 (Li-Pol) 电池组都含有保护电子电路。然而，还有一些系统设计需要考虑的关键因素。其中包括但不局限于确保在锂离子电池充电最后阶段期间 1% 的稳压容限、安全处理深度放电电池的预处理模式、安全计时器以及电池温度监控。

2、电池容量：所有的电池充电解决方案都要确保在每一次和每一个充电周期都能将电池容量充至充满状态。过早的终止充电会导致电池运行时间缩短，这是当今高功耗的便携式设备所不希望的。

3、电池使用寿命：遵循建议的充电算法是确保终端用户实现每个电池组最多充电周期的重要一步。利用电池温度和电压限定每一次充电、预处理深度放电电池并避免过晚或非正常充电终止是最大化电池使用寿命所必须的一些步骤。

表 1 充电控制总结

电池化学技术的选择

现在系统设计人员可以在多种电池化学技术中进行选择。设计 人员通常会根据下面的一些标准进行电池化学技术的选择，其中包括：
能量密度
规格和外形尺寸
成本
使用模式和使用寿命

近年来，尽管使用锂离子电池和锂聚合物电池的趋势增强，但是 Ni 电池化学技术仍然是诸多消费类应用一个不错的选项。

无论选择何种电池化学技术，遵循每一种电池化学技术的正确充电管理技术都是至关重要的。这些技术将确保电池在每一次和每个充电周期都能被充至最大容量，而不会降低安全性或缩短电池使用寿命。

NiCd / NIMH

在一个充电周期开始之前，并且尽可能在开始快速充电之前对镍镉 (NiCd) 电池和镍氢 (NiMH) 电池必须要进行检验和调节。如果电池电压或温度超出了允许的极限是不允许进行快速充电的。出于安全考虑，对所有“热”电池（一般高于 45C）的充电工作都会暂时终止，直到电池冷却到正常工作温度范围内才会再次运转。要想处理一个“冷”电池（一般低于 10C）或过度放电的电池（每节电池通常低于 1V），需要施加一个温和的点滴式电流。

当电池温度和电压正确时快速充电开始。通常用 1C 或更低的恒定电流对 NiMH 电池进行充电。一些 NiCd 电池可以用高达 4C 的速率进行充电。采用适当的充电终止来避免有害的过充电。

就镍基可充电电池而言，快速充电终止基于电压或温度。如图 1 所示，典型的电压终止方法是峰值电压探测，在峰值时即每个电池的电压在 0～-4mV 范围内，快速充电被终止。基于温度的快速充电终止方法是观察电池温度上升率 T/t 来探测完全充电。典型的 T/t 率为 1C/每分钟。

图 1 镍电池化学技术的充电曲线