设备的动力来源--选择标准和充电器的实现

在当今世界里，越来越多的设备正向移动化方向发展，电池使用效率变得至关重要。工程师最关心的问题就是设备的电流消耗。他们设计出各种不同方法来降低功耗，因为电池使用寿命越长，产品的市场认知价值也就越高。我们这里要考虑的一个重要问题是电池本身。根据特定应用选择适当的电池非常重要，因为电池决定着设备在充电间隔之间工作时间的长短，也决定着系统要增加多少重量，材料清单成本(BOM)要增加多少等等。除了电池的选择之外，正确的充电电路设计也非常重要。设计不当就会减少电池使用寿命，甚至导致电池故障(比方说漏电或爆炸)。一旦出现电池故障，必须召回，从而不仅会造成巨大损失，也影响了制造商的声誉。

本文将探讨以下问题：

1. 不同类型的充电电池
　　2. 不同类型电池的对比和选择标准
　　3. CC-CV充电方法(第二部分)
　　4. 采用微控制器的实现方案(第二部分)

充电电池的种类：

充电电池形状和大小不一，包括纽扣电池乃至数吨重的巨型电池。充电电池可根据他们的化学性质进行分类。部分最常用的充电电池包括：

1. 镍镉(Ni-Cd)电池
　　2. 镍氢(NiMH)电池
　　3. 铅酸电池
　　4. 锂离子电池

　　镍镉(Ni-Cd)电池：

镍镉电池是市场上最早的电池技术之一，其具有明显的优势，包括成本低，适用于低功耗应用，在恶劣环境下也能保持稳定工作，而且能多次充电等。镍镉电池组在氢氧化钾电解溶液中将氢氧化镍(Ni(OH)2)电极作为阴极(正)，将氢氧化镉(Cd(OH)2)作为阳极(负)。　　

单节镍镉电池放电电压为1.2V。这种电池的放电速率平稳，但在末期快速下降，如图1所示，因此难以估算剩余电量。这种电池的优势在于其能够深度放电且不会破坏电池单元。

除了上述优势之外，镍镉电池也有劣势，导致其市场份额萎缩。一些主要缺点包括：

• 记忆效应：如果电池部分放电之后反复过度充电，就会丧失储存最大能量的功能，这就叫记忆效应，因此建议精确控制充电或者定期进行深度放电，这样电池才能恢复其容量。不过，我们也必须注意过多的深度放电可能会永久性损坏电池单元。
• 单元逆变：电池包括许多互联的单元，每个单元在容量上与其它单元略有不同。因此一个单元如果在其它单元之前完全放电，那么其它单元还会迫使电流通过已经放电的单元，这就是所谓的单元逆变，会导致不良且不可逆的化学反应，从而造成单元的永久损坏。
• 充电过度：充满电时，正极(镍)生成氧气，而负极(镉)生成氢气。这些气体必须适当排出系统，否则就会造成电池工作条件过于危险。为了在密封的镍镉电池中解决这个问题，负极(镉)容量设置较高，这就导致正极在负极之前达到充满状态，因此正极释放的氧气会被负极吸收，发生氧化作用。

镍氢(NiMH)电池：

镍氢电池类似于镍镉电池，也有吸收氢气的负极。镍氢电池相对于镍镉电池而言容量更高，通常用于需要大电流的应用，如数码相机等。大电流应用需要在短时间内提供大量电力。镍氢电池由于其内部电阻较低，因此在这方面表现不错。

镍氢电池的自放电率最高，通常每月为30%。不过，如果保存期限较长，可用每月自放电率低至2%的低自放电(LSD)镍氢电池。但代价是，低自放电镍氢电池与相同尺寸的标准镍氢电池相比，电池电量更低。

• 不耐高温：在温度较高的条件下，化学反应常常会加速电池内部的老化进程，而且高温条件下镍氢电池的放电速度也会加快。
• 单元逆变：这与此前镍镉电池所述的问题一样。

铅酸电池：

顾名思义，铅酸电池采用铅衍生材料作为电极，酸性溶液作为电解液。铅酸电池在硫酸(H2SO4)电解液中以二氧化铅和多孔铅分别作为电池的正负极。由于使用了重金属元素，因此这种电池毒性较大，如果处置不当，就会造成危险。

铅酸电池是工业中最受欢迎也使用最广泛的电池，因为其成本低，性能稳定。铅酸电池种类繁多，能满足多种不同最终应用的需求。铅酸电池的最大市场就是需要大电流驱动的汽车产业。在此类应用中，铅酸电池用来发动引擎，在交流发电机生成的电荷不足以满足负载要求时提供电荷。根据相应的应用需求，汽车中的铅酸电池在设计上就是不能完全放电的。

对于需要深度放电的应用而言，要求较厚的正负极板，这会提高电极板的电阻，进而降低峰值电流，但同时能经受频繁的放电。

铅酸电池也可不带电解质供货，这样做的最突出的优势就是保存期限可以做到“无限”长。每节铅酸电池电压为2.1V，堆叠在一起可组成不同大小和容量的电池组。铅酸电池也存在如下缺点：

• 放气：电池充电速度太快，超过其所能吸收的电能，过高的能量就会转变成热量，导致电解质沸腾蒸发，从而产生氢气和氧气。密封电池根据设计能让氢气和氧气结合生成水，从而延长电池使用寿命，但如果电池漏气，流失的电解质可能引发爆炸，导致电池永久损坏。因此，铅酸电池需要对含水量进行常规维护。
• 硫化：深度放电导致电池电极上的硫酸铅结晶，这会阻碍电池充电，甚至也可能造成两个电极间短路，进而导致电池永久受损。有时我们可以在可控环境下对电池进行过度充电，让电解质沸腾放气，破坏硫化结晶，从而纠正硫化问题。
• 腐蚀：外部金属接触腐蚀会随不同接触材料的使用而出现。由于过度充电或电解质的外泄，会排放出硫酸性烟气，电解质也可能与金属发生反应，出现腐蚀情况。

锂离子电池：

锂是最轻的金属，也是电化势最高的金属之一，现已成了电池制造中常用的金属材料。不过，用锂金属作为充电电池的电极存在爆炸的风险。在锂离子电池中，锂化合物电极是正极，石墨为负极。锂离子电池的能量密度最高，单节电池电压为3.7V到4.2V(相当于镍镉电池的3倍)。

除了重量轻、能量密度高之外，锂离子电池还有如下优势：

• 所需维护少：锂离子电池省去了很多麻烦事，无需像铅酸电池检查含水量，也不用像镍镉电池充电前完全放电(应对记忆效应)等常规维护工作。
• 低自放电率：锂离子电池的自放电率每月约为5%到10%，比镍氢电池低3倍。

锂离子电池也存在一些明显缺点：

• 电池单元的寿命：锂离子电池使用一两年后充电频率增加，这是因为充电过程中会在电解质中形成沉淀，进而加大内部电阻，降低容量。
• 充电过度和温度：如果锂离子电池充电过度，高温工作，就会损失容量。
• 成本：锂离子电池应在特定的电压和温度范围内工作，因此需要一个监控电路，一旦电压和温度超过规定范围就关闭系统。这种额外的电路会增加完整锂离子电池充电器的成本。

尽管锂离子电池存在上述缺点，但仍在越来越多的移动应用中得到推广使用，这是因为其能量密度高、重量轻的优点使然。

下表对上述各种不同类型电池进行了归纳总结：