电池介绍：构成、参数、类型和充电器

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简介

因为能够在移动中存储并传输能量，电池已成为一种常见用品，几乎存在于人们日常使用的所有电子产品中。当应用于便携式医疗设备时，电池甚至可以挽救生命；在耳机和便携式电动工具等日常应用中也常常见到它们的身影。当没有直接电源时，可充电电池还可以通过移动电源来充电。

本文将讨论一些电池的基础知识，包括电池的基本组成部分、参数和电池类型，并介绍 MPS 专为可充电电池设计的电池充电IC。

电池的构成

电池由多个部分构成，这些组成部分赋予了电池存储和传输电力的能力。为了实现电池的充电和放电，带电粒子（离子和电子）必须沿特定方向流动并流经特定组件。尽管电池的化学成分不同，但它们都包含以下基本组成部分：

阴极：阴极是发生还原作用的正极（或电导体），这意味着阴极在放电过程中获得电子。阴极通常决定电池的化学性质，它有多种类型，例如锂离子电池、碱性电池和镍氢电池。
阳极：阳极是发生氧化的负极，这意味着阳极在放电过程中失去电子。阳极通常是导电材料，例如金属。
电解质：电解质允许离子在阳极和阴极之间流动。其介质可以是固体、液体，甚至凝胶。电解质携带产生电化学反应的离子，其形式根据阴极的类型而不同。例如，锂离子电池中的电解质通常是液体或凝胶（例如锂聚合物电池）。
隔膜：隔膜是一种多孔材料，可防止阳极和阴极之间的直接接触，因为这些组成部分之间的接触可能会导致灾难性后果，如电池着火甚至爆炸。但隔膜允许离子的流动。
集电极：顾名思义，集电极收集电流。它是一种导电材料，允许电子在电极和电路之间流动。集电极通常是金属或碳基材料，并且连接到阳极和阴极。
端子：电池端子是电池的金属触点，它将电池连接到外部电路。通常，端子位于电池的两端。传统电池通常只有两个端子（一个在阴极，一个在阳极），但越来越多的新型电池可能有十多个端子。

图 1 显示了锂离子电池的构成。注意，其他电池化学成分可能具有不同或额外的组成部分。例如，锂离子电池在阴极和多孔隔膜之间具有锂金属氧化物，然后在隔膜和阳极之间具有锂金属碳。这些离子的转移都发生在电解质（例如凝胶或液体）内。

图1: 锂离子电池的构成

当锂离子电池充电时，正锂离子从阴极内部流向阳极；同时，电子从阴极外部流向阳极。电池放电时，锂离子和电子则沿相反方向流动。

电池参数

电池规格因电池类型而异，因此选择电池时，需要考虑并了解多个规格参数。这些参数包括但不限于：

化学成分：不同的电池化学成分具有不同的特性，例如与电压、容量和能量密度相关的特性。下文将介绍其中部分化学成分，如果需要更深入地了解电池化学成分，请查看电池化学成分如何影响充电器的选择。
电压：电池电压是阳极和阴极之间的电压差。不同的电池化学成分有不同的额定电压。例如，锂离子电池的额定电压为3.7V，而碱性电池的额定电压约为1.5V。电压越高，容量和输出功率就越高。
容量：电池的容量是指电池可以存储和提供的电能量，它是在一个完整的充电或放电周期内传输的电荷总量。相比容量较低的电池，容量较高的电池不需要更频繁的充电或更换。
循环寿命：循环寿命描述了可充电电池在其容量永久下降到一定百分比之前可以充电和放电的次数。
能量密度：对电池来说，能量密度衡量的是每单位体积可以存储的能量。能量密度较高的电池可以在较小封装中存储更多的能量，会更适合空间受限的应用。
自放电率：电池的自放电率是指电池在不工作时流失电量的速率。为什么有些电子设备在一段时间不用后就无法打开，就是因为电池会自放电，电池流失的电量太多已无法支持设备工作。
功率：电池的额定功率决定了它可以向连接的负载提供多少功率。它是电池电压和电池允许的最大放电电流的总和。
效率：对电池而言，效率是指放电期间输送的电能与充电期间提供的电能之比。效率较高的电池不会损失太多能量或散发太多热量，因而能够工作更长时间。

电池类型及其优缺点

电池主要有两种类型：一次性电池和可充电电池（见图 2）。在这两种电池类型中，电池化学成分的不同决定了它们的容量、电压和能量密度等参数。

一次性电池只能使用一次，完全放电后必须更换；而充电电池即使在完全放电后也可以多次充电和使用。

图 2：一次性电池（左）和充电电池（右）

表 1 对电池的化学成分进行了比较，下文将对其进行更详细的描述。

表 1：电池化学成分

化学成分	标称电压(V)	容量(Ah)	循环寿命	能量密度(MJ/L)	月度自放电率(占容量的%)
碱性（一次性）	1.5	0.7 至 1.8	-	高(0.90至1.56)	低(0.17)
锌碳（一次性）	1.4 至 1.7	0.3 至 7	-	低(0.33)	低(0.32)
铅酸（可充电）	12	30 至 100+	500 至 100	低(0.22至0.27)	高(3至20)
锂离子（可充电）	3.7	0.5 至 4+	500 至 1,000	高(2)	中等(5至10)
镍镉 (NiCd)（可充电）	1.2	1	高达800	低(0.36)	高(20)
镍氢 (NiMH)（可充电）	1.2	0.3 至 14	高达500	高(1.44)	极高(30)

一次性电池

一次性电池已预先充电并可直接使用，在未使用时它可保留电量多年。这种电池专为特定应用而设计，不需要维护。但一次性电池在使用后必须立即更换，这带来了一些不便。例如在旅行时，人们需要存储额外的电池或者购买新电池。此外，电池处理也对环境带来挑战，因为如果处理不当，这些电池中的金属和材料可能会危害环境。

下面列出了一些一次性电池的类型及其化学成分。

碱性电池：碱性电池（例如 AA、AAA、C 和 9V）非常常见，它用于许多日常用品中，例如手电筒、玩具和遥控器。其使用简单，大多数商店都有售，而且自放电率相对较低。
锌碳电池：锌碳电池与碱性电池相似，自放电率相对较低，需要更换；但其能量密度较低，通常使用时间较短。因此它们常用于低电流消耗的设备，例如时钟和收音机。

可充电电池

可充电电池需要根据其应用来谨慎选择，它们更环保，更具性价比，并且通常可以比一次性电池提供更多的电量。可充电电池在旅行等没有直接电源的情况下也非常有用，因为它们可以使用移动电源来充电。

铅酸：铅酸电池是一种很成熟的可充电电池类型，通常用于不间断电源(UPS) 等应用，因为它们可以提供大电流并实现可靠的安全性。尽管这种电池性价比较高，但其能量密度比其他电池类型低，而且较重，因此不建议用于移动应用。
锂离子：锂离子电池是可充电电池，它常用于便携式应用，例如智能手机和笔记本电脑。由于锂离子电池具有高能量密度和低自放电率，因此其保存期长且充电速度快。但它们需要一定的安全功能来防止在次优条件下着火甚至爆炸。类似的电池类型还包括锂聚合物电池和磷酸铁锂（LFP）电池。
镍氢/镍镉（NiMH/NiCd）：镍氢电池和镍镉电池相对而言比较类似，常用于无绳电话、电动工具和数码相机等应用。这两种电池类型均可充电 500 至 800 次，并具有相似的标称电压。镍氢电池具有非常高的能量密度。但由于镉对环境的影响，镍镉电池的使用已越来越少。

可充电电池的电池充电 IC

对环保、多样的可充电电池来说，拥有与电池和系统规格相匹配的电池充电 IC 至关重要。电池充电IC 可以提供保护功能，并调节充电过程，这对电池很重要。其具体功能描述如下：

电池保护：部分电池充电IC能够提供保护功能来保护电池和电池充电器的安全。这些功能包括过压保护 (OVP)、欠压保护 (UVP)、过流保护 (OCP) 和过温保护 (OTP)，可防止电池和电池充电器出现可能导致起火或爆炸的潜在危险情况。MPS 不仅提供电池充电 IC ，还提供全面的电池监控芯片和保护芯片，例如MP2790和MP2787。
充电调节：电池充电IC（例如MP2760和MP2651）通过在充电过程中监控电池的电压、电流和温度来调节充电。它调节电流和电压设置以满足电池的要求，并确保电池不会过度充电或过度放电，从而保证电池的使用寿命。
与BMS 通信：电池充电IC 可以通过通信接口与BMS 通信，交换电池的状态数据、设置保护阈值，并强制电池充电器进入可能影响电池的某些状态。

以下章节将介绍MPS的电池充电IC；当然，还有许多其他的电池充电 IC 也可适用于各种电池化学成分。

MPS 电池充电 IC

MPS 提供各种电池充电 IC，可用于广泛的应用，包括医疗设备、智能手机、视频游戏控制器、无人机、笔记本电脑、电动工具、可穿戴设备、蓝牙扬声器智能家居和电动汽车 (EV)等。

MP2760是一款升降压电池充电 IC，可用于笔记本电脑和平板电脑，它还支持 USB 供电 (PD) 以及其他充电设置。这款充电IC支持高达 22V 的输入电压(V_IN)，可为充电器和电池提供电压保护和温度保护等功能，并配有定时器以防止对电量耗尽的电池进行充电。MP2760 可以根据系统电压(V_SYS)在升压、升降压和降压模式之间灵活转换，控制输入电压V_IN，无论V_IN如何变化都能为电池提供平稳的充电（见图 3）。

图3: MP2760的模式转换

MP2760是MPS电池充电器解决方案模块的组成部分。它具有用于双向操作的双角色端口 (DRP) USB Type-C 端口，可用于扬声器、平板电脑、销售点 (POS) 系统、无人机和摄像头等应用。

作为一款开关充电IC，MP2760 非常适合中高电流应用，包括智能手机、平板电脑和扬声器，并且可在宽V_IN范围内使用。

线性充电器常用于外部组件较少的低电流应用，例如蓝牙耳塞和智能手表)等便携式设备。MP2710是一款可配置的线性充电IC，它具有电源路径管理功能，可确保电池不会深度放电。该器件采用超小尺寸 WLCSP-9 (1.85mmx1.85mm) 封装，可用于空间受限应用。除了调节充电之外，MP2710 还提供多种保护功能，如短路保护 (SCP)可确保电池不会因过高的电流而损坏，欠压锁定 (UVLO) 保护可在电池电压下降过多时保护电池和系统。

图4所示为MP2710的典型应用电路。