所有的充電器都各不相同

所有的充電器都各不相同

       電池的可靠性和使用壽命在很大程度上取決于充 電器的好壞。在價格競爭異常激烈的市場上，尤其是消費電子產品市場，充電器往往得不到充分的重視。本文把充電器比作電池的守護神，并且對人們建議使用的充電方法進行了分析比較——這些充電方法能夠提高鎳鎘（NiCd）電池、鎳氫（NiMH）電池和鋰離子（Li-ion）電池的性能。對于牽涉到公共安全的無線通訊設備以及其他關鍵的產品，由于電池不可以出現故障，因此，電池和充電器特別重要。
溫度過高會縮短電池的使用時間，因此，在充電期間，電池應當一直保持低溫狀態。然而，鎳基電池在充電時，溫度上升一些，是無法避免的。當電池接近充滿電時，溫度會上升到最高，然后，在電池切換到連續小電流充電方式之后，溫度也會隨之漸漸下降，最終下降到與室溫相同。
       如果電池已經處于“充好電”狀態，而在此之后的幾小時里，其溫度仍然高于室溫，那么，這個充電器必定存在故障。當電池充滿電時，就要把它從充電器里拿出來，因為任何長時間的小電流充電都有可能損壞電池。對于鎳氫電池要特別小心，因為鎳氫材料不能很好地吸收過多的電量。
       鋰電池在充電過程中不會發熱，但是，如果一旦出現發熱的情況，那一定是電池或者充電器出問題了，不能再使用。

鎳基充電器分為三類：
       慢速充電器：慢速充電器，也叫做“夜間充電器”，它采用一種充電速度大致固定在0.1C（額定容量的十分之一）的充電方法，只要電池一接入充電器，就開始充電，充電時間為14到16個小時。無繩電話、便攜式CD播放機以及其他類似的消費電子產品使用的就是這種慢速充電器。
       急速充電器：在這三種充電器當中，急速充電器在充電時間和價格方面都屬于中等。它的充電時間為3到6個小時，在電池充滿電時，就立即切換到連續補充充電方式。急速充電器適用于鎳基電池或者鋰離子電池，同時，也適用于商用產品，例如，蜂窩電話、膝上型電腦和數碼攝像機。
       快速充電器：快速充電器具有許多優點，最明顯的優點就是充電時間非常短。它以1C的速度充電，對于一個完全沒電的鎳鎘電池或者鎳氫電池，通常只要一個小時多一點就可以充好電。同時，它還具有精確的滿電量檢測功能——這個功能也很重要。一旦電池充滿電，充電器就會切換到小電流充電狀態，進入連續補充充電方式。通訊產品所使用的充電器一般都是快速充電器。它可以以最快的速度把完全沒電的電池充滿電?？焖俪潆娖饕策m用于工業設備，例如，雙向無線通訊設備、攝像機和電動工具等。
要注意以下幾點：
● 適用于鎳氫電池的充電器，同樣也可以用來給鎳鎘電池充電，但是用于鎳鎘電池的充電器不能用來對鎳氫電池充電。用一個專門為鎳鎘電池設計的充電器來給鎳氫電池充電，會導致鎳氫電池的過度充電。
● 鎳基電池最好用快速充電，因為快速充電會減少結晶的形成（記憶作用）。
● 鎳基電池和鋰電池使用兩種不同的充電算法，因此，在通常情況下，不能用同一個充電器對這兩種不同的化學材料制成的電池充電。
● 如果不是定期使用充電器，在使用之前，應該把電池從充電器里拿出來，在使用前進行小電流充電，不要把電池留在充電器里等著要用時才拿出來用。
 

給鎳鎘電池充電
       電池制造商建議，當你拿到一塊新的鎳鎘電池時，在使用前，先進行24小時慢速充電。因為電池組里的每個電池的自放電速度都不一樣，這樣做，可以使電池組里所有的電池的電量都相等。通過最初的連續補充充電，還可以重新分配電解液，排除分離器上的干燥點，之所以會出現這些干燥點，是在長期存放過程中電解液的重力所造成的。
       一些電池制造商在電池出廠前，電池并沒有完全達到指標的要求。無論是通過電池分析器還是在正常的使用過程中，只有經過多個充放電周期把電池充滿電，它才能達到指標。在某些情況下，一個鎳基電池可能需要經過50到100次的充放電周期。高質量的電池，例如Sanyo和Panasonic公司制造的電池，在經過5至7次充放電之后，性能就達到指標。開始時的讀數可能前后不一，但是在經過這個過程之后，它的容量就穩定下來。在充電100次和300次之間，容量略有上升。
       大部分可充電電池都具有一個用來釋放因過度充電而產生的過大壓力的安全氣孔。當壓力達到每平方英寸為150至200磅時，鎳鎘電池上的安全氣孔就會打開。（汽車輪胎的壓力大約是35磅/平方英寸。）有了這個可以再次封閉的氣孔，電池就不會因為壓力過大而受到任何損害，但是，會流失一些電解液，而且，在以后密封仍會出現泄漏的現象。如果有白色的粉末堆積在開著的氣孔上，這表示它正在釋放壓力。
       商用充電器在設計時，首先考慮的不是對電池是否有利。對于通過測量溫度來確定電池電量的充電器來講，更是如此。這個方法很簡單，而且也不貴，但是，完全依靠溫度來決定是否應該結束充電，這個方法并不精確。
       比較先進的鎳鎘電池充電器可以測量出溫度上升的速度。根據dT/dt的定義，這個電池上的電量檢測系統比起采用固定溫度分界點的方法要好很多，然而，電池仍然需要通過產生一些熱量來觸發這個檢測功能。
       我們可以通過微控制器來監測電池的電壓，并且在出現某個電壓信號時結束充電，從而實現更為精確的滿電量檢測功能。當電壓一旦出現下降的情況，就表示電池已經充滿了。正如負增量電壓（NDV），在鎳鎘電池以0.5C或者更高的速度充電時，這個現象就極其明顯。由于電池老化和電池不匹配的問題會產生電壓增量，因此，使用NDV的充電器還必須監測電池的溫度。
       快速充電提高了充電效率。以1C的速度充電，效率為1.1或者91%，對于一個沒有電的電池來說，只需要略多于一個小時的充電時間。以0.1C的速度充電，效率為1.4或者71%，對于同樣的電池來說，大約需要14個小時的充電時間。對于已經充了一段時間或者是還殘留有部分電量的電池來說，充電時間會更短。
       在電池電量達到70%之前，鎳鎘電池幾乎是100%地吸收能量。幾乎所有的能量都能夠被吸收，同時，電池也保持在較低的溫度?？梢杂脦妆队诔潆娝俣鹊碾娏鞒潆?，而不會引起溫度的升高。超快速充電器利用這個現象，可以在短短的幾分鐘內把電池充到總容量的70%左右，然后再以較低的速度充電，直至電池完全充滿為止。
       當電量一旦超過70%，電池就漸漸失去吸收新能量的能力了。壓力越來越大，溫度越來越高。為了把電池充滿，一些充電器還允許出現短時間的過度充電。圖1表示鎳鎘電池在充電時，電池的電壓、壓力和溫度之間的關系。
 


1鎳鎘電池的充電特性。鎳鎘電池的電壓、壓力和溫度特性與鎳氫電池非常相似。

       如果以1C或者更高的速度充電，超高容量的鎳鎘電池的溫度會比標準鎳鎘電池的高很多。這部分是因為電池內部的電阻更大了。為了減少熱量的累積，并且保持較短的充電時間，先進的充電器在開始充電時使用較高的電流，然后再降低電流，這樣，可以和這個電池的電荷吸收狀態保持一致。
       在充電脈沖之間的分散放電脈沖可以提高鎳基電池的電荷吸收程度。這個方法通常稱作逆向負載充電，它增加了電極的表面積，從而提高在充電期間所產生的氣體間的再次結合。這樣就可以減少記憶效應并延長工作時間，從而，提高電池的性能。
       經過最初的快充，一些充電器使用一個定時溢頂充電，然后再進入連續補充充電。對于鎳鎘電池來說，建議補充充電速度在0.05和0.1C之間?？紤]到鎳氫電池在存儲器和兼容性方面的問題，現在的充電器更傾向于使用更低的連續補充充電電流。
 

給鎳氫電池充電
       用于鎳氫電池的充電器和鎳鎘系統非常相似，但是，它的電子電路比較復雜。鎳氫電池在電量充滿時會產生一個非常小的壓降，而且，在溫度較高時，當充電速度低于 0.5C，NDV就幾乎不存在。老化的電池匹配會進一步降低已經很小的電壓增量。
       鎳氫電池充電器必須對每個電池8到16mV的壓降做出響應。因為由電池和充電器所產生的電壓波動和噪聲可能會把NDV檢測電路搞糊涂，所以如果充電器太靈敏，就有可能會在充到一半時，通過電量來結束快速充電。大部分現在的快速鎳氫充電器把NDV、溫度增加速度（dT/dt）、溫度感應與超時計時器整合在一起。這個充電器根據這三個數據中最先出現的參數，結束快速充電。
       鎳氫電池允許存在一個很短的過度充電，這樣可以比通過那些較不主動的充電方法充入更多的電量。對于一個好電池來說，能增加6%左右的電量。逆向充電會縮短電池的壽命。電池可能在充過300次之后就報廢了，而不是350至400次。
       鎳氫電池最好用急速充電，而不是慢速充電的方法。由于鎳氫電池無法很好地吸收過多的電量，因此，其連續補充充電速度必定要比鎳鎘電池慢很多，大約在0.05C左右。這就可以用來解釋為什么不能用原來的鎳鎘充電器來給鎳氫電池充電了。
       以慢速充電的方法給鎳氫電池充電是很困難的，如果說不是不可能的話。在0.1和0.3C的充電速度下，電壓和溫度無法體現規定的特性，不能精確地檢測滿電量狀態，此外，充電器還需要用一個計時器。如果只充了一部分電或充滿電的電池用一個固定的定時器充電，就會出現有害的過充充電。如果電池已經老化了，而且只能容納50%的電量而不是100%，那么，同樣的情況還會出現。即使鎳氫電池摸起來溫度不高，但是可能已經過度充電了。
       低價位的充電器不適合用完全飽和的充電方法。只有當達到給定的電壓峰值，或者檢測其達到溫度上限，才會啟動滿電量檢測。一般來說，這些充電器的充電時間都較短，價格也比較公道。一些超快速充電器同樣也無法把電池完全充滿。
 

給鋰離子電池充電
       鎳基電池充電器是限流器件，而鋰離子電池充電器是限壓器件。鋰電池的充電方法只有一種。而所謂的據說能把電池充滿并延長其使用時間的“特效充電器”，對于鋰電池來說，不存在這樣的東西。因為，根本不存在所謂的超快速充電方法。鋰電池的供應商對充電步驟做出非常嚴格的規定。
       早期的石墨系統要求每個電池的電壓必須限制在4.10V。盡管更高的電壓能夠提供更高的容量，但是，如果一旦超過每個電池4.10V的上限，電池的氧化作用會縮短它的使用時間。我們利用化學添加劑解決了這個問題?，F在，大部分鋰離子電池都可充到4.20V，每個電池都允許存在?.05V的誤差。
       大部分充電器的充電時間在3個小時左右。在充電過程中，電池保持較低的溫度。當電壓達到電壓上限的同時電流降低并且保持平穩，那么，電池就已經充滿了。
       增加充電電流不會大幅度地縮短充電時間。盡管在電流達到峰值之前，電壓已經達到上限，溢頂充電需要更多的時間。圖2表示在鋰離子電池經過第一個階段和第二個階段時，充電器的電壓和電流的變化。
 


2 鋰離子電池的充電過程。提高鋰離子的充電電流并不會明顯縮短充電時間。盡管電流更高，達到電壓峰值的時間越短，但是，溢頂充電需要更多的時間。

       據說有的充電器可以在一個小時甚至更短的時間內快速地把鋰離子電池充滿。這樣的充電器在第一個階段結束時到達電壓上限，然后直接進入“完成”狀態，省去了第二個步驟。在這個點上，電量水平大約只有電池總容量的70%左右。溢頂充電需要的時間一般是最初的充電時間的兩倍。
       由于鋰材料不能吸收過多的電荷，因此不能用連續補充充電。連續補充充電可能會引起金屬鋰出現電鍍現象，這會使電池變得不穩定。不同的是，它用短時間的溢頂充電來補償電池自放電和它的保護電路所消耗的微弱的電量。具體得取決于電池的需要，溢頂充電可能需要每20天進行一次。特別是，當暴露在外面的接線端的電壓降至每個電池4.05V時，它就開始充電，并且當每個電池的電壓達到4.20V時，就停止充電。
       如果一不留神，電池過度充電了，那又會怎樣呢？盡管在設計時，考慮到必須讓鋰離子電池在正常的工作電壓范圍內安全地工作，但是，如果電壓超過正常值時，它就會漸漸地變得不穩定。當電壓超過4.30V時，電池會引起陽極上的鋰金屬出現電鍍現象；陰極的材料開始氧化，變得不穩定，同時釋放氧氣。過度充電會導致電池溫度上升。
       為了防止出現過度充電和過度放電，人們非常重視鋰離子材料的安全問題。商用鋁離子電池中有一個保護電路，它可以防止在充電時電池電壓升得過高。每個電池的電壓上限通常為4.30V。當電池的溫度接近90℃時，溫度檢測電路會充電停止；同時，如果一旦超出安全的壓力范圍，電池上的機械壓力開關會永久地切斷電流通路。這種方法不能用在一些錳電池組上，這種電池組中有一個或兩個很小的電池。
       鋰聚合物電池的充電過程與鋰離子電池相似。這些電池用一種膠狀的電解液來提高導電性能。
 

在高溫和低溫下給電池充電
       可充電電池可以在一個相當寬的溫度范圍內工作。然而，它不能自動調整以適應在這些極端的環境下充電。盡管不能完全避免高溫與低溫的情況，但是，當在給一塊電池再次充電時，這往往是在用戶的控制下進行的。盡可能在室溫下給電池充電。沒有一塊商用電池可以在零度以下的溫度充電。
       鎳基電池只能在10到30℃之間快速充電。當溫度低于5℃時，把氧元素和氫元素重新結合在一起的能力開始下降，并且，由此產生的壓力可能會導致電池通過排氣孔排氣。
       在較高的溫度下，鎳基電池電量吸收程度明顯下降。如果在適當的室溫下充電，可以充到100%，而如果在45℃下充電，只能充到70%。這就可以解釋為什么在夏天車載充電器的性能會那么差。
       在整個溫度范圍內，鋰電池的充電性能非常好。當溫度低于5℃時，充電速度應該低于1C。因為會出現鋰金屬電鍍的現象，所以要避免在溫度很低情況下充電。
       Cadex的通用調節型充電器（UCC）里面有一個溫度傳感器，它可以在電池溫度非常低的情況下采用連續補充充電的方法，當電池的溫度過高時，就停止充電。這些先進的充電器使用反向負載充電，并通過NDV、dT/dt傳感器和計時器來檢測充電是否已經完成。智能電池適配器把充電器設置成正確的充電算法。UCC充電器有單路、雙路和六路（圖3）三種配置。雙路的產品是裝在車上的。

 

3 Cadex通用充電器具有一路、兩路和六路三種配置。智能電池適配器可以用同一個充電器為不同類型的電池充電。這個車用UCC2可以經受住撞擊和震動。

小結
       商用快速充電器在設計時，首要考慮的不是電池的性能。兩個常見的電池“殺手”是在充電期間的高溫和充電完成之后不正確的連續補充充電。