应用笔记 3388

用DS2711/12检测原电池


摘要 : DS2711和DS2712标准NiMH电池充电器(专为1节或2节AA或AAA NiMH “标准”电池设计)能够检测原电池(一次电池,不可充电电池),避免对其充电。本应用笔记介绍了各种来自不同厂商的电池特性,说明了充电IC区分NiMH可充电电池和碱性原电池的方法。

引言

DS2711和DS2712为1节或2节AA或AAA标准NiMH电池提供了一种理想的充电方案,它们能够检测碱性原电池,防止对其充电。(碱性原电池制造商不推荐对其产品进行充电,因此,能够识别哪些电池可以安全充电、哪些电池不能充电对于充电器而言将是一个非常关键的功能)。

本应用笔记给出的数据显示,这些器件能够区分出NiMH可充电电池和碱性原电池,可广泛用于不同厂商的新电池或已经使用过的电池。

选择电池

我们收集了几款新的和旧的NiMH可充电电池及碱性原电池,将每款电池与DS2711连接,它可以识别电池的化学特性,判断是否对其充电。

所选择的NiMH电池包括AA和AAA电池,分别来自以下厂商:Maxell、Panasonic、Rayovac、Sanyo和Sony。原电池来自以下厂商:Duracell Ultra、Rayovac Maximum Plus、Energizer Max、Energizer e² Lithium和Energizer e² Titanium。旧电池已经使用了一年之久,并经过许多次充电、放电。

所有NiMH电池用DS2711充电,然后放电到指定的电量。碱性电池是新型号,去掉包装,并将其放电到所希望的状态。

电池阻抗在很大程度上取决于剩余电量或充电状态,本应用笔记中选择了4种充电状态:充满、低电量、空电量和电池耗尽。

“充满”指NiMH电池已通过DS2711完全充满,对于碱性电池,“充满”指电池刚刚去掉包装;“低电量”指电池在50mA负载下放电至1.2V;“空电量”指电池在50mA负载下放电至0.8V;“电池耗尽”指电池在50mA负载下放电至0.0V。

阻抗

当电池放电到指定状态时,对电池进行测量,以计算每个电池的阻抗。这个过程通过以下步骤完成:测量每节电池的开路电压(VOFF),然后以500mA充电电流作用到电池上并测量对应的电压(VON),5秒钟后,可利用欧姆定律计算阻抗:



表1给出了AA电池在各充电状态下计算出的阻抗,表2为AAA电池的阻抗值。

表1. 计算AA电池在不同充电状态下的阻抗
    Charge States Impedance (mΩ)
Cell Type Cell Brand Full Low Empty Depleted
Alkaline - AA Duracell Ultra 181 451 910 671
Rayovac Maximum Plus 248 761 1282 462
Energizer Max 140 912 1080 524
Energizer e² Lithium 159 174 272 850
Energizer e² Titanium 186 436 486 444
New NiMH - AA Panasonic (1950 mAh) 42 52 60 448
Rayovac (2000 mAh) 40 48 64 638
Sanyo (1600mAh) 34 54 206 982
Aged NiMH - AA Maxell (2000 mAh) 58 285 555 629
Rayovac (1800 mAh) 45 55 187 391
Sanyo (2000 mAh) 81 83 131 812
Sony (2000 mAh) 57 116 551 1420

表2. 计算AAA电池在不同充电状态下的阻抗
    Charge States Impedance (mΩ)
Cell Type Cell Brand Full Low Empty Depleted
Alkaline - AAA Duracell Ultra 282 602 1035 1640
Rayovac Maximum Plus 322 883 1114 1892
Energizer Max 253 367 525 1071
Energizer e² Lithium 222 253 523 834
Energizer e² Titanium 192 442 268 455
New NiMH - AAA Rayovac (800 mAh) 100 106 152 353
Sanyo (700 mAh) 98 128 128 844
Panasonic (750 mAh) 100 72 142 147
Aged NiMH - AAA Rayovac (700 mAh) 54 168 144 357
Sanyo (700 mAh) 106 154 507 819
Sony (700 mAh) 62 64 396 712

充电结果

电池阻抗测量门限(CTST)由CTST电阻(RCTST)设置。RCTST电阻基于所要求的阻抗门限和充电电流,对于AA和AAA电池选择160mΩ作为判断可充电NiMH电池(新电池或旧电池)的检测门限,适合新电池和旧电池的阻抗测试,碱性电池将不能通过测试。可以用以下公式计算RCTST



本应用笔记选择100Ω的RCTST用于500mA充电电流,50Ω的RCTST用于1A的充电电流。

表3给出了充电结果表格中的缩略语注释,“NC”表示由于VOC高于1.75V,电池没有被充电,它是DS2711检测电池插入时的限制。“PC”表示VOC低于1.0V,器件进入预充电状态,此时,充电器以1/4快充电流为电池充电。如果在34分钟后,电池的VOC没有恢复到1.0V以上,DS2711将进入故障(FAULT)状态。“CTST”表示电池没有达到阻抗要求,使DS2711进入FAULT状态,每隔31秒进行一次电池阻抗测试。“OV”表示VCH (在充电电流作用下每节电池的电压)高于1.75V,它将使DS2711进入FAULT状态。充电期间,每秒进行一次过压检测。“Ch”表示电池由DS2711充电。

充电结果表格中的其它信息代表从开始充电到DS2711进入FAULT状态的时间,根据需要用“XXs” (秒)或“XXm” (分钟)表示。另外,“X RS”表示完成充电过程之前重新启动充电过程的次数。对于过度放电的NiMH电池,DS2711可能在最初检测到过高的阻抗,但是,经过1次或2次尝试后,阻抗将恢复到通过检测的数值,允许进行适当的充电。

表3. 充电结果表4至表7的缩略语注释
Abbreviation Meaning
NC No Charge
PC Pre-charge
CTST Fail Impedance Test
OV Fail Over Voltage Test
Ch Charged OK
(XXs) Seconds until FAULT
(XXm) Minutes until FAULT
(X RS) Times Charge was restarted

表4和表5是将AA和AAA电池放置到DS2711评估板上后得到的测试结果,配置为并联充电模式,利用外部充电电源设置500mA的充电电流。表6和表7是在1A充电电流下的测试结果。

表4. 以500mA电流充电时,AA电池的充电结果
    Charge StatesCharge Results for 500mA Current
Cell Type Cell Brand Full Low Empty Depleted
Alkaline - AA Duracell Ultra CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s) PC (34m)
Rayovac Maximum Plus CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s)
Energizer Max OV (155s) CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s)
Energizer e² Lithium NC OV (295m) CTST (25m) PC (34m)
Energizer e² Titanium CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s)
New NiMH - AA Panasonic (1950 mAh) Ch Ch Ch Ch
Rayovac (2000 mAh) Ch Ch Ch Ch (1 RS)
Sanyo (1600mAh) Ch Ch Ch Ch (2 RS)
Aged NiMH - AA Maxell (2000 mAh) Ch Ch Ch (1 RS) Ch (2 RS)
Rayovac (1800 mAh) Ch Ch Ch (1 RS) Ch (1 RS)
Sanyo (2000 mAh) Ch Ch Ch Ch (1 RS)
Sanyo (2000 mAh) Ch Ch Ch Ch

表5. 以500mA电流充电时,AAA电池的充电结果
    Charge StatesCharge Results for 500mA Current
Cell Type Cell Brand Full Low Empty Depleted
Alkaline - AAA Duracell Ultra CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s)
Rayovac Maximum Plus CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s)
Energizer Max CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s)
Energizer e² Lithium NC CTST (20m) PC (34m) PC (34m)
Energizer e² Titanium CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s)
New NiMH - AAA Rayovac (800 mAh) Ch Ch Ch Ch
Sanyo (700 mAh) Ch Ch Ch Ch (1 RS)
Panasonic (750 mAh) Ch Ch Ch Ch (1 RS)
Aged NiMH - AAA Rayovac (700 mAh) Ch Ch Ch Ch
Sanyo (700 mAh) Ch Ch Ch (1 RS) Ch (1 RS)
Sony (700 mAh) Ch Ch Ch (1 RS) Ch (1 RS)

表6. 以1A电流充电时,AA电池的充电结果
    Charge StatesCharge Results for 1A Current
Cell Type Cell Brand Full Low Empty Depleted
Alkaline - AA Duracell Ultra OV (7s) OV (7s) OV (3s) CTST (31s)
Rayovac Maximum Plus OV (3s) OV (3s) OV (2s) OV (22s)
Energizer Max OV (11s) OV (3s) OV (3s) OV (3s)
Energizer e² Lithium NC OV (237m) CTST (400s) OV (2s)
Energizer e² Titanium OV (14s) CTST (31s) CTST (31s) CTST (31s)
New NiMH - AA Panasonic (1950 mAh) Ch Ch Ch Ch
Rayovac (2000 mAh) Ch Ch Ch Ch
Sanyo (1600mAh) Ch Ch Ch Ch
Aged NiMH - AA Maxell (2000 mAh) Ch Ch Ch Ch
Rayovac (1800 mAh) Ch Ch Ch Ch
Sanyo (2000 mAh) Ch Ch Ch Ch
Sony (2000 mAh) Ch Ch Ch Ch

表7. 以1A电流充电时,AAA电池的充电结果
    Charge StatesCharge Results for 1A Current
Cell Type Cell Brand Full Low Empty Depleted
Alkaline - AAA Duracell Ultra OV (3s) OV (3s) OV (3s) OV (2s)
Rayovac Maximum Plus OV (2s) OV (3s) OV (3s) OV (3s)
Energizer Max OV (2s) OV (21s) OV (2s) OV (2s)
Energizer e² Lithium NC CTST (32m) PC (34m) PC (34m)
Energizer e² Titanium OV (2s) OV (10s) CTST (31s) CTST (31s)
New NiMH - AAA Rayovac (800 mAh) Ch Ch Ch Ch
Sanyo (700 mAh) Ch Ch Ch Ch
Panasonic (750 mAh) Ch Ch Ch Ch
Aged NiMH - AAA Rayovac (700 mAh) Ch Ch Ch Ch
Sanyo (700 mAh) Ch Ch Ch Ch
Sony (700 mAh) Ch Ch Ch Ch

结论

充电结果(表4至表7)表明DS2711和DS2712能够检测碱性原电池,并避免对这些电池进行充电。以500mA电流充电时,大多数电池在停止充电之前有31秒的充电时间,这是由于电池阻抗检测造成的。当以较高的充电电流(1A)充电时,大多数碱性原电池在10秒钟内将会检测到电池过压状态,这同样会终止充电。

Energizer e² Lithium的电池是仅有的一款没有立即终止充电的原电池,这种电池作为原电池具有极低的阻抗,增大了检测难度。新电池的开路电压(VOC)近似为1.8V,无法通过“在线”检测,所以,也可以避免充电。处于“电池耗尽”状态的AA和AAA电池(以及“空电量”状态的AAA电池)具有低于1.0V的VOC,电池会进入34分钟的低速率预充电状态,然后终止充电,不会对电池产生任何明显的影响。

Energizer e² Lithium的AA和AAA电池在“低电量”状态下(以及“空电量”状态下的AA电池)会被DS2711充电,但不会产生任何漏电或爆炸的征兆,仅仅会使电池发热,在电池终止充电以前使其温度比室温高出大约10°C。考虑到这一原因,制造商不建议对原电池进行充电。

Energizer e² Lithium的电池被充电后,再对其放电,使其恢复到初始充电状态,可以发现,它们将很快达到其初始状态,这表明只有极少的电量注入到了电池内部。

一些空电量或电量耗尽的可充电NiMH电池在阻抗恢复到门限要求以前需要重新启动1次或2次充电过程,重新启动充电的现象发生在500mA充电电流情况下,而不是1A充电电流情况下,因为1A的充电电流足以使电池阻抗在31秒内恢复到门限要求的数值以内。当以500mA电流充电时,需要2倍的阻抗恢复时间。

本应用笔记给出的数据表明:DS2711和DS2712能够有效检测碱性原电池,并避免对其进行充电,符合原电池制造商推荐的充电要求,而且能够为NiMH电池提供适当的充电。