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(jià)格競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的市場(chǎng)上，尤其是消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)，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(hù)神，并且對(duì)人們建議使用的充電方法進(jìn)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(duì)于牽涉到公共安全的無(wú)線通訊設(shè)備以及其他關(guān)鍵的產(chǎn)品，由于電池不可以出現(xiàn)故障，因此，電池和充電器特別重要。
溫度過(guò)高會(huì)縮短電池的使用時(shí)間，因此，在充電期間，電池應(yīng)當(dāng)一直保持低溫狀態(tài)。然而，鎳基電池在充電時(shí)，溫度上升一些，是無(wú)法避免的。當(dāng)電池接近充滿電時(shí)，溫度會(huì)上升到最高，然后，在電池切換到連續(xù)小電流充電方式之后，溫度也會(huì)隨之漸漸下降，最終下降到與室溫相同。
       如果電池已經(jīng)處于“充好電”狀態(tài)，而在此之后的幾小時(shí)里，其溫度仍然高于室溫，那么，這個(gè)充電器必定存在故障。當(dāng)電池充滿電時(shí)，就要把它從充電器里拿出來(lái)，因?yàn)槿魏伍L(zhǎng)時(shí)間的小電流充電都有可能損壞電池。對(duì)于鎳氫電池要特別小心，因?yàn)殒嚉洳牧喜荒芎芎玫匚者^(guò)多的電量。
       鋰電池在充電過(guò)程中不會(huì)發(fā)熱，但是，如果一旦出現(xiàn)發(fā)熱的情況，那一定是電池或者充電器出問(wèn)題了，不能再使用。

鎳基充電器分為三類(lèi)：
       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(kāi)始充電，充電時(shí)間為14到16個(gè)小時(shí)。無(wú)繩電話、便攜式CD播放機(jī)以及其他類(lèi)似的消費(fèi)電子產(chǎn)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(dāng)中，急速充電器在充電時(shí)間和價(jià)格方面都屬于中等。它的充電時(shí)間為3到6個(gè)小時(shí)，在電池充滿電時(shí)，就立即切換到連續(xù)補(bǔ)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(shí)，也適用于商用產(chǎn)品，例如，蜂窩電話、膝上型電腦和數(shù)碼攝像機(jī)。
       快速充電器：快速充電器具有許多優(yōu)點(diǎn)，最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是充電時(shí)間非常短。它以1C的速度充電，對(duì)于一個(gè)完全沒(méi)電的鎳鎘電池或者鎳氫電池，通常只要一個(gè)小時(shí)多一點(diǎn)就可以充好電。同時(shí)，它還具有精確的滿電量檢測(cè)功能——這個(gè)功能也很重要。一旦電池充滿電，充電器就會(huì)切換到小電流充電狀態(tài)，進(jìn)入連續(xù)補(bǔ)充充電方式。通訊產(chǎn)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(méi)電的電池充滿電?？焖俪潆娖饕策m用于工業(yè)設(shè)備，例如，雙向無(wú)線通訊設(shè)備、攝像機(jī)和電動(dòng)工具等。
要注意以下幾點(diǎn)：
● 適用于鎳氫電池的充電器，同樣也可以用來(lái)給鎳鎘電池充電，但是用于鎳鎘電池的充電器不能用來(lái)對(duì)鎳氫電池充電。用一個(gè)專(zhuān)門(mén)為鎳鎘電池設(shè)計(jì)的充電器來(lái)給鎳氫電池充電，會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池的過(guò)度充電。
● 鎳基電池最好用快速充電，因?yàn)榭焖俪潆姇?huì)減少結(jié)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(gè)充電器對(duì)這兩種不同的化學(xué)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(yīng)該把電池從充電器里拿出來(lái)，在使用前進(jìn)行小電流充電，不要把電池留在充電器里等著要用時(shí)才拿出來(lái)用。
 

給鎳鎘電池充電
       電池制造商建議，當(dāng)你拿到一塊新的鎳鎘電池時(shí)，在使用前，先進(jìn)行24小時(shí)慢速充電。因?yàn)殡姵亟M里的每個(gè)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(guò)最初的連續(xù)補(bǔ)充充電，還可以重新分配電解液，排除分離器上的干燥點(diǎn)，之所以會(huì)出現(xiàn)這些干燥點(diǎn)，是在長(zhǎng)期存放過(guò)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(méi)有完全達(dá)到指標(biāo)的要求。無(wú)論是通過(guò)電池分析器還是在正常的使用過(guò)程中，只有經(jīng)過(guò)多個(gè)充放電周期把電池充滿電，它才能達(dá)到指標(biāo)。在某些情況下，一個(gè)鎳基電池可能需要經(jīng)過(guò)50到100次的充放電周期。高質(zhì)量的電池，例如Sanyo和Panasonic公司制造的電池，在經(jīng)過(guò)5至7次充放電之后，性能就達(dá)到指標(biāo)。開(kāi)始時(shí)的讀數(shù)可能前后不一，但是在經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程之后，它的容量就穩(wěn)定下來(lái)。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(gè)用來(lái)釋放因過(guò)度充電而產(chǎn)生的過(guò)大壓力的安全氣孔。當(dāng)壓力達(dá)到每平方英寸為150至200磅時(shí)，鎳鎘電池上的安全氣孔就會(huì)打開(kāi)。（汽車(chē)輪胎的壓力大約是35磅/平方英寸。）有了這個(gè)可以再次封閉的氣孔，電池就不會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)大而受到任何損害，但是，會(huì)流失一些電解液，而且，在以后密封仍會(huì)出現(xiàn)泄漏的現(xiàn)象。如果有白色的粉末堆積在開(kāi)著的氣孔上，這表示它正在釋放壓力。
       商用充電器在設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮的不是對(duì)電池是否有利。對(duì)于通過(guò)測(cè)量溫度來(lái)確定電池電量的充電器來(lái)講，更是如此。這個(gè)方法很簡(jiǎn)單，而且也不貴，但是，完全依靠溫度來(lái)決定是否應(yīng)該結(jié)束充電，這個(gè)方法并不精確。
       比較先進(jìn)的鎳鎘電池充電器可以測(cè)量出溫度上升的速度。根據(jù)dT/dt的定義，這個(gè)電池上的電量檢測(cè)系統(tǒng)比起采用固定溫度分界點(diǎn)的方法要好很多，然而，電池仍然需要通過(guò)產(chǎn)生一些熱量來(lái)觸發(fā)這個(gè)檢測(cè)功能。
       我們可以通過(guò)微控制器來(lái)監(jiān)測(cè)電池的電壓，并且在出現(xiàn)某個(gè)電壓信號(hào)時(shí)結(jié)束充電，從而實(shí)現(xiàn)更為精確的滿電量檢測(cè)功能。當(dāng)電壓一旦出現(xiàn)下降的情況，就表示電池已經(jīng)充滿了。正如負(fù)增量電壓（NDV），在鎳鎘電池以0.5C或者更高的速度充電時(shí)，這個(gè)現(xiàn)象就極其明顯。由于電池老化和電池不匹配的問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生電壓增量，因此，使用NDV的充電器還必須監(jiān)測(cè)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(duì)于一個(gè)沒(méi)有電的電池來(lái)說(shuō)，只需要略多于一個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間。以0.1C的速度充電，效率為1.4或者71%，對(duì)于同樣的電池來(lái)說(shuō)，大約需要14個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間。對(duì)于已經(jīng)充了一段時(shí)間或者是還殘留有部分電量的電池來(lái)說(shuō)，充電時(shí)間會(huì)更短。
       在電池電量達(dá)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(shí)，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(huì)引起溫度的升高。超快速充電器利用這個(gè)現(xiàn)象，可以在短短的幾分鐘內(nèi)把電池充到總?cè)萘康?0%左右，然后再以較低的速度充電，直至電池完全充滿為止。
       當(dāng)電量一旦超過(guò)70%，電池就漸漸失去吸收新能量的能力了。壓力越來(lái)越大，溫度越來(lái)越高。為了把電池充滿，一些充電器還允許出現(xiàn)短時(shí)間的過(guò)度充電。圖1表示鎳鎘電池在充電時(shí)，電池的電壓、壓力和溫度之間的關(guān)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(huì)比標(biāo)準(zhǔn)鎳鎘電池的高很多。這部分是因?yàn)殡姵貎?nèi)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(shí)間，先進(jìn)的充電器在開(kāi)始充電時(shí)使用較高的電流，然后再降低電流，這樣，可以和這個(gè)電池的電荷吸收狀態(tài)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(gè)方法通常稱(chēng)作逆向負(fù)載充電，它增加了電極的表面積，從而提高在充電期間所產(chǎn)生的氣體間的再次結(jié)合。這樣就可以減少記憶效應(yīng)并延長(zhǎng)工作時(shí)間，從而，提高電池的性能。
       經(jīng)過(guò)最初的快充，一些充電器使用一個(gè)定時(shí)溢頂充電，然后再進(jìn)入連續(xù)補(bǔ)充充電。對(duì)于鎳鎘電池來(lái)說(shuō)，建議補(bǔ)充充電速度在0.05和0.1C之間?？紤]到鎳氫電池在存儲(chǔ)器和兼容性方面的問(wèn)題，現(xiàn)在的充電器更傾向于使用更低的連續(xù)補(bǔ)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(tǒng)非常相似，但是，它的電子電路比較復(fù)雜。鎳氫電池在電量充滿時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常小的壓降，而且，在溫度較高時(shí)，當(dāng)充電速度低于 0.5C，NDV就幾乎不存在。老化的電池匹配會(huì)進(jìn)一步降低已經(jīng)很小的電壓增量。
       鎳氫電池充電器必須對(duì)每個(gè)電池8到16mV的壓降做出響應(yīng)。因?yàn)橛呻姵睾统潆娖魉a(chǎn)生的電壓波動(dòng)和噪聲可能會(huì)把NDV檢測(cè)電路搞糊涂，所以如果充電器太靈敏，就有可能會(huì)在充到一半時(shí)，通過(guò)電量來(lái)結(jié)束快速充電。大部分現(xiàn)在的快速鎳氫充電器把NDV、溫度增加速度（dT/dt）、溫度感應(yīng)與超時(shí)計(jì)時(shí)器整合在一起。這個(gè)充電器根據(jù)這三個(gè)數(shù)據(jù)中最先出現(xiàn)的參數(shù)，結(jié)束快速充電。
       鎳氫電池允許存在一個(gè)很短的過(guò)度充電，這樣可以比通過(guò)那些較不主動(dòng)的充電方法充入更多的電量。對(duì)于一個(gè)好電池來(lái)說(shuō)，能增加6%左右的電量。逆向充電會(huì)縮短電池的壽命。電池可能在充過(guò)300次之后就報(bào)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?zé)o法很好地吸收過(guò)多的電量，因此，其連續(xù)補(bǔ)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(lái)解釋為什么不能用原來(lái)的鎳鎘充電器來(lái)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(shuō)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(wú)法體現(xiàn)規(guī)定的特性，不能精確地檢測(cè)滿電量狀態(tài)，此外，充電器還需要用一個(gè)計(jì)時(shí)器。如果只充了一部分電或充滿電的電池用一個(gè)固定的定時(shí)器充電，就會(huì)出現(xiàn)有害的過(guò)充充電。如果電池已經(jīng)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(huì)出現(xiàn)。即使鎳氫電池摸起來(lái)溫度不高，但是可能已經(jīng)過(guò)度充電了。
       低價(jià)位的充電器不適合用完全飽和的充電方法。只有當(dāng)達(dá)到給定的電壓峰值，或者檢測(cè)其達(dá)到溫度上限，才會(huì)啟動(dòng)滿電量檢測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，這些充電器的充電時(shí)間都較短，價(jià)格也比較公道。一些超快速充電器同樣也無(wú)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(jù)說(shuō)能把電池充滿并延長(zhǎng)其使用時(shí)間的“特效充電器”，對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō)，不存在這樣的東西。因?yàn)椋静淮嬖谒^的超快速充電方法。鋰電池的供應(yīng)商對(duì)充電步驟做出非常嚴(yán)格的規(guī)定。
       早期的石墨系統(tǒng)要求每個(gè)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(guò)每個(gè)電池4.10V的上限，電池的氧化作用會(huì)縮短它的使用時(shí)間。我們利用化學(xué)添加劑解決了這個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)在，大部分鋰離子電池都可充到4.20V，每個(gè)電池都允許存在?.05V的誤差。
       大部分充電器的充電時(shí)間在3個(gè)小時(shí)左右。在充電過(guò)程中，電池保持較低的溫度。當(dāng)電壓達(dá)到電壓上限的同時(shí)電流降低并且保持平穩(wěn)，那么，電池就已經(jīng)充滿了。
       增加充電電流不會(huì)大幅度地縮短充電時(shí)間。盡管在電流達(dá)到峰值之前，電壓已經(jīng)達(dá)到上限，溢頂充電需要更多的時(shí)間。圖2表示在鋰離子電池經(jīng)過(guò)第一個(gè)階段和第二個(gè)階段時(shí)，充電器的電壓和電流的變化。
 


2 鋰離子電池的充電過(guò)程。提高鋰離子的充電電流并不會(huì)明顯縮短充電時(shí)間。盡管電流更高，達(dá)到電壓峰值的時(shí)間越短，但是，溢頂充電需要更多的時(shí)間。

       據(jù)說(shuō)有的充電器可以在一個(gè)小時(shí)甚至更短的時(shí)間內(nèi)快速地把鋰離子電池充滿。這樣的充電器在第一個(gè)階段結(jié)束時(shí)到達(dá)電壓上限，然后直接進(jìn)入“完成”狀態(tài)，省去了第二個(gè)步驟。在這個(gè)點(diǎn)上，電量水平大約只有電池總?cè)萘康?0%左右。溢頂充電需要的時(shí)間一般是最初的充電時(shí)間的兩倍。
       由于鋰材料不能吸收過(guò)多的電荷，因此不能用連續(xù)補(bǔ)充充電。連續(xù)補(bǔ)充充電可能會(huì)引起金屬鋰出現(xiàn)電鍍現(xiàn)象，這會(huì)使電池變得不穩(wěn)定。不同的是，它用短時(shí)間的溢頂充電來(lái)補(bǔ)償電池自放電和它的保護(hù)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(jìn)行一次。特別是，當(dāng)暴露在外面的接線端的電壓降至每個(gè)電池4.05V時(shí)，它就開(kāi)始充電，并且當(dāng)每個(gè)電池的電壓達(dá)到4.20V時(shí)，就停止充電。
       如果一不留神，電池過(guò)度充電了，那又會(huì)怎樣呢？盡管在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到必須讓鋰離子電池在正常的工作電壓范圍內(nèi)安全地工作，但是，如果電壓超過(guò)正常值時(shí)，它就會(huì)漸漸地變得不穩(wěn)定。當(dāng)電壓超過(guò)4.30V時(shí)，電池會(huì)引起陽(yáng)極上的鋰金屬出現(xiàn)電鍍現(xiàn)象；陰極的材料開(kāi)始氧化，變得不穩(wěn)定，同時(shí)釋放氧氣。過(guò)度充電會(huì)導(dǎo)致電池溫度上升。
       為了防止出現(xiàn)過(guò)度充電和過(guò)度放電，人們非常重視鋰離子材料的安全問(wèn)題。商用鋁離子電池中有一個(gè)保護(hù)電路，它可以防止在充電時(shí)電池電壓升得過(guò)高。每個(gè)電池的電壓上限通常為4.30V。當(dāng)電池的溫度接近90℃時(shí)，溫度檢測(cè)電路會(huì)充電停止；同時(shí)，如果一旦超出安全的壓力范圍，電池上的機(jī)械壓力開(kāi)關(guān)會(huì)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(gè)或兩個(gè)很小的電池。
       鋰聚合物電池的充電過(guò)程與鋰離子電池相似。這些電池用一種膠狀的電解液來(lái)提高導(dǎo)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(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)工作。然而，它不能自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)在這些極端的環(huán)境下充電。盡管不能完全避免高溫與低溫的情況，但是，當(dāng)在給一塊電池再次充電時(shí)，這往往是在用戶(hù)的控制下進(jìn)行的。盡可能在室溫下給電池充電。沒(méi)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(dāng)溫度低于5℃時(shí)，把氧元素和氫元素重新結(jié)合在一起的能力開(kāi)始下降，并且，由此產(chǎn)生的壓力可能會(huì)導(dǎo)致電池通過(guò)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(dāng)?shù)氖覝叵鲁潆?，可以充?00%，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(chē)載充電器的性能會(huì)那么差。
       在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，鋰電池的充電性能非常好。當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，充電速度應(yīng)該低于1C。因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)鋰金屬電鍍的現(xiàn)象，所以要避免在溫度很低情況下充電。
       Cadex的通用調(diào)節(jié)型充電器（UCC）里面有一個(gè)溫度傳感器，它可以在電池溫度非常低的情況下采用連續(xù)補(bǔ)充充電的方法，當(dāng)電池的溫度過(guò)高時(shí)，就停止充電。這些先進(jìn)的充電器使用反向負(fù)載充電，并通過(guò)NDV、dT/dt傳感器和計(jì)時(shí)器來(lái)檢測(cè)充電是否已經(jīng)完成。智能電池適配器把充電器設(shè)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(chǎn)品是裝在車(chē)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(gè)充電器為不同類(lèi)型的電池充電。這個(gè)車(chē)用UCC2可以經(jīng)受住撞擊和震動(dòng)。

小結(jié)
       商用快速充電器在設(shè)計(jì)時(shí)，首要考慮的不是電池的性能。兩個(gè)常見(jiàn)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(xù)補(bǔ)充充電。