一些流行的可重新充电电池有哪些？电池基电源管理系统的设计分析

电池基系统广泛地应用在蜂窝电话、PDA游戏机、医疗仪器等领域。这些系统需要有效的电源管理以便使设备尺寸和电池寿命最佳化。

电池基电源管理系统包括电池和为系统提供电源的稳压电路。主要的设计目标包括：
性能和充电时间间隔指标，要通过有效的系统设计，使电池尺寸最小、重量最轻。
在宽输入电压范围内提供合适的稳定输出电压，在电池电压下降时电池基系统能正常地工作。
要求电源管理系统减小印刷电路板大小。
功率管理系统最小热耗，应消除复杂的热管理，热管理会增加重量和成本。
电源管理系统最佳化的电路布线，应避免电磁干扰。
高可靠性的电源管理系统。

电池选择为了满足上述的设计目标，电源管理系统的设计从电池开始。电池类型有一次电池（或非重新充电电池）和可重新充电电池。

一些流行的可重新充电电池包括：

镍镉（NiCd）电池具有寿命长，高放电率和价格便宜。优点是简单的充电特性，能经受多次充电/放电。

镍氢（NiMH）电池：与NiCd电池比具有较高能量密度，但是要以降低寿命为代价，其能量密度比NiCd高30%~40%。NiMH储存效应比较小。充电时，NiMH采用更复杂的充电算法并消耗一些热量，因此，所需的充电时间比NiCd长。

锂离子（Li-ion）电池：具有高能量密度而且重量轻。当今锂电池以单位重量的最大电化学势能和最高能量密度而处于电池的中心位置。锂离子电池是安全的，它在充电和放电时能提供一定的安全措施。其能量密度是标准NiCd电池的2倍。另外，它具有高容量，其负载特性是相当好的，放电特性类似于NiCd。它相当高的电池电压（2.7~4.2V）使得很多Li-ion电池组只有一个电池组成。寿命为300充电/放电周期，在500周期为50%容量。然而，Li-ion电池需要保护电路，保护电路在充电期间限制每个电池的峰值电压，并阻止放电时电压下降太低。保护电路不仅限制最大充电和放电电流，而且监控电池温度。在处理和测试Li-ion电池时应小心短路、过充电、压碎、敲击、损坏、穿入、反向极性、暴露在高温或折开电池。
只用带设计有保护电路的Li-ion电池。

电池（battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。如太阳能电池。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。

电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时，电池非静电力（化学力）所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作单位。在电池反应中，1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行，同时电池内阻也要引起电动势降，因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大，其内阻越小。

电池的能量储存有限，电池所能输出的总电荷量叫做它的容量，通常用安培小时作单位，它也是电池的一个性能参数。电池的容量与电极物质的数量有关，即与电极的体积有关。

实用的化学电池可以分成两个基本类型：原电池与蓄电池。原电池制成后即可以产生电流，但在放电完毕即被废弃。蓄电池又称为二次电池，使用前须先进行充电，充电后可放电使用，放电完毕后还可以充电再用。蓄电池充电时，电能转换成化学能；放电时，化学能转换成电能的。

锂聚合物（Li-Pol）电池：能量密度与Li-ion电池类似，但使用较安全，并且有较好的封装灵活性。Li-Pol电池与Li-ion不同的地方是制造坚固性、安全性和薄外形几何形状。不像Li-ion电池那样，不存在易燃性的危险。因为Li-Pol的电极是叠层式的。

一些电池组包含一个集成IC保护电路。此IC防止可能导致过热的大电流。锂离子电池组中的电池需要单独的电压监控。串联连接的电池越多，其保护电路就越复杂。注意：不要放电低于2.5V的锂基电池，不然，就切断电池的保护电路。

所有的电池都会自放电。自放电对于镍基电池是最显着的。通常在充电之后的第一个24小时，镍基电池放电其容量的10%~15%，其后的放电率是每月10%~15%。Li-ion自放电在第一个24小时大约为5%，其后为1%~2%。

电池电路工作原理电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：

1、正常状态在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。7|此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。

2、过充电保护锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V（根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V），转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。

在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到4.28V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

3、过放电保护电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。

由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1μA。在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

4、过电流保护由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C（C=电池容量/小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U>0.1V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。

在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。

5、短路保护电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。

以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理，多节串联锂离子电池的保护原理与之类似，在此不再赘述，上面电路中所用的控制IC为日本理光公司的R5421系列，在实际的电池保护电路中，还有许多其它类型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列、台湾类比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小异，只是在具体参数上有所差别，有些控制IC为了节省外围电路，将滤波电容和延时电容做到了芯片内部，其外围电路可以很少，如日本精工的S-8241系列。除了控制IC外，电路中还有一个重要元件，就是MOSFET，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。

随着科技的发展，便携式设备的体积越做越小，而随着这种趋势，对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小，在这两年已出现了将控制IC和MOSFET整合成一颗保护IC的产品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的IC，如MITSUMI公司的产品。