- 鋰離子電池充電線路之設計參考
- 電池充電方式
- 鋰離子充電器設計范例
前言
便攜式電子產(chǎn)品皆以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的迅速發(fā)展，各種電池的用量大增，并且開發(fā)出許多新型電池。除大家較熟悉的堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來成為主流的鋰離子電池。這里會介紹有關鋰離子電池的相關知識，包括它的特性、主要參數(shù)、應用范圍，最后并提供鋰離子電池充電線路之設計參考。
鋰離子電池發(fā)展與應用
鋰離子電池是目前應用最為廣泛的可再次充電式電池，它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，可以單節(jié)電池使用于低功率應用，也可以將多節(jié)電池進行串并聯(lián)組合得到更高電壓與容量，用于電動工具與筆記型計算機。鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物(鋰離子/鋰聚合物電池)、或凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發(fā)現(xiàn)能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物，所以大多數(shù)的鋰離子/ 鋰聚合物電池實際上是結合凝膠體和聚合物的混合型電池。
鋰離子電池有別于一般的化學電池，其充放電工作過程是通過電池正負極中鋰離子的嵌入和脫嵌來實現(xiàn)的，當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液移動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又移動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在充放電過程中，鋰離子處于從正極到負極到正極的循環(huán)運動狀態(tài)。由于鋰離子電池中使用的是離子狀態(tài)的鋰而非金屬鋰，危險性低，安全性高。
電池特性
電池的性能參數(shù)主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內部移到正極時，電池非靜電力(化學力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性質，與電池的大小無關。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。
在電池反應中，每公斤反應物質所產(chǎn)生的電能稱為電池的理論比能量。所謂比能量指的是單位重量或單位體積中所儲存的能量，以Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進行，同時電池內阻也會引起電壓降。另一方面，電流流過電池的截面積越大，其內阻越小。鋰離子電池的最大特點是比能量高，現(xiàn)今的鋰離子電池技術可達到比能量為80~120 wh/kg，而傳統(tǒng)鉛酸電池的比能量僅為30~40 wh/kg，因此鋰離子電池可以以較小體積儲存更高能量，有助于講求輕薄短小的行動電子裝置與要求高續(xù)航力的電動車應用。
以下亦列出鋰離子電池的幾項特點：高容量：鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。
●高電壓：一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(標稱值)，相當于三個串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。
●高穩(wěn)定：由于不含金屬鋰，危險性低，因而不受飛機運輸關于禁止在客機攜帶規(guī)定的限制。
●長壽命：可充電鋰離子電池充電全滿時、電壓約為4.2伏特，放電時電壓會下降、但不宜低于約2.5伏特，保存電壓或出廠電壓約為3.6至3.7 伏特。使用壽命主要關鍵為充電次數(shù)，優(yōu)良的可充電鋰離子電池約有500次以上的壽命(由2.5伏特充電至4.2伏特算一次)，且鋰離子電池不存在記憶效應。
●快速充電：使用額定電壓為4.2V的定電壓/定電流充電器，可以使鋰離子電池在1~2.5個小時內就充滿電。但須注意如果充電電壓超過4.3伏特以上，有爆炸的危險。電池電壓低于2.0伏特，則鋰離子電池損毀，無法再使用或充電。
電池充電方式
由以上可以知道，鋰離子電池雖然具有高容量與長壽命的優(yōu)勢，但是在充放電方面則需特別注意，因此所有可充電鋰離子電池都需要配置其“充放電管理 IC”，用以限制充電及放電電壓，以確保不超過安全電壓致電池爆炸，當電池電壓低于2.5V切斷輸出，避免電池壽命縮短。除少數(shù)標準品之外，多數(shù)鋰離子電池體積外型各異，以實際應用為主，容量規(guī)格也不盡相同，因此充電電流由各制造廠商自行設計規(guī)范。依據(jù)電流大小而有所謂快充或慢充模式；然大電流的充電模式通常有損使用壽命。雖然電池組中已包含有充電管理IC，但此僅作為電池爆炸或防止燃燒的最低保護措施，而非正常的使用方式，為充分達到電池的壽命與效率，充電器的設計仍需離此一上下限甚遠。
除了過放電之外，鋰離子電池也不適合用作大電流放電，大電流放電時會降低放電時間(內部會產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)。因此電池制造商規(guī)范該產(chǎn)品最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流。鋰離子電池對充電品質的要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的 1%之內(例如:充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)過壓充電可能對鋰離子電池造成永久性損壞，嚴重者導致電池爆炸；鋰離子電池的充電電流應根據(jù)電池制造廠的規(guī)范選用。雖然某些電池充電電流標稱可達2C(C是電池的容量，標示如1000mAh，1C充電率即充電電流為1A)，但高充電電流會降低電池壽命，因此一般常用的充電率為0.25C～1C。因充電過程的電化學反應會產(chǎn)生熱，有一定的能量損失；另外鋰離子電池充電并非全部采用定電流充電，還有定電壓模式充電，所以實際充電時間約為2.5小時左右；鋰離子電池充電的溫度在0℃~ 60℃范圍。如果充電電流過大會產(chǎn)生溫度過高，不僅會損壞電池并可能引起爆炸。因此在大電流充電時，需要對電池進行溫度檢測，并且在超過設定充電溫度時能停止充電以保證安全。另外，充電器電路中有設定的限流電阻，保證充電電流不超過設定的限制電流。
目前鋰離子電池的充電器常采用三段充電法，即預充電模式(Pre-Charging Mode)、定電流充電(Fast Charging Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Mode)。鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。設計完善的充電器可對過放的電池進行挽救修復，即在正式充電前進行預處理。于充電前先檢測電池的電壓：若電池電壓大于 3V，則按正常方式充電；若電池電壓低于3V，則以小電流(約為10%的定電流模式充電電流)充電稱之為預充電模式，讓處于深度放電狀態(tài)下而溶解的鈍化膜進行還原。此外，當電池過度放電時，還可能釋出部分銅金屬在陽極造成短路，此時若以高電流進行強迫充電就會導致電池過熱，而預充電階段則能避免這種現(xiàn)象發(fā)生。等充到3V后再按正常定電流方式充電。
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當電池電壓大于3V，則按正常方式充電的充電特性如圖1所示(以4.2V鋰離子電池為例)。開始以設定的定電流模式充電，此時電池電壓以較快的斜率上升，隨著電池電力儲存的增加，電池電壓上升斜率會逐步降低，上升到接近 4.2V 時，定電流充電階段結束。充電器改以 4.2V定電壓充電，在定電壓階段充電時，電壓幾乎不變，但充電電流持續(xù)下降。當充電電流降到某一值時，激活定時器，經(jīng)一段計數(shù)定時截止后，結束充電，完成充電程序。
圖1：典型的鋰離子電池充電曲線
定電壓充電的輸出穩(wěn)壓精確度對于電池容量最大化和延長電池使用壽命都很重要。當電池穩(wěn)壓低于4.2V，可能導致電池充電不足，雖不至于影響壽命，卻使得電池蓄電量減少。例如充電不足程度只要達到總電壓的 1%，就會讓電池蓄電量減少8%。另一方面，電池穩(wěn)壓太高，則導致電池過度充電而縮短使用壽命，甚至造成使用者危險。為了確保鋰離子電池的充電安全，開始充電時的環(huán)境溫度，必須在0℃～45℃之間。在更低溫度下進行充電會形成更多金屬鋰，會導致電池阻抗增加與電池劣化。在高溫環(huán)境下進行充電，則會增加鋰離子與電解液的反應而加速電池劣化。
一般而言，建議長時間不使用時，應將電池充至70 - 80%進行存放。這也是為防止長時間的自然放電后，鋰離子電池電壓低于2.0伏特，導致鋰離子電池失效而不能使用。經(jīng)常把鋰離子電池電量耗盡的使用方式，比經(jīng)常充放電的使用方式，其壽命至少縮短一半以上。
鋰離子充電器設計范例
為滿足低耗電可攜式產(chǎn)品對于更精確、更安全的充電器應用需求，許多IC制造商發(fā)展出低成本線性充電器。圖2是以通嘉科技的LD6275充電IC為設計范例，構成僅需少數(shù)外部零件的獨立式線性充電器電路，其具備1.5A的最大充電電流。
圖2：LD6275應用電路圖
LD6275是一個高整合度的鋰離子電池線性充電器IC，具備主動電源路徑管理，在負載端電流進行加載/卸載的情況下，實時調整電池充電電流，有效監(jiān)控管理輸入電流(即USB埠的輸出電流)，符合USB – IF所規(guī)范的浪涌電流限制和軟激活功能的要求。此外，IC內整合有溫度檢測功能，如果IC溫度超過設定值。會自動降低充電電流以保護芯片避免損壞。
LD6275將電源適配器/USB埠的5V直流電源進行降壓穩(wěn)流，對鋰離子電池進行充電，為防止電源適配器的過電流超載，可以外部電阻 RCISET設定最大充電電流限制。同時支持計算機USB端口充電模式，并依據(jù)外部腳位EN1與EN2進行設定，各模式請見表1。透過為USB 500mA與USB 100mA操作模式設定，可以保護PC端USB埠避免過載。
表1：充電模式設定
圖3. APPM
圖4. APPM
LD6275開放兩段的電池設定電壓與充電電流的調整，可根據(jù)其需求動態(tài)調整，如為符合日本JEITA的規(guī)范要求根據(jù)電池之溫度而調整充電器之設定，如下圖5表示。
圖5：TVSET, TISET調整
Vin為輸入電源電壓，工作范圍4.1V~6V.VBAT是電池電壓，可以由0~4.2V,ICHG為設定充電電流，由外部電阻RCISET設定之。當電池電壓低于3V時，會進入預充電模式，IC內部預設以ICHG的10%電流進行充電。
假設使用5.5V電源供應器對單顆1200mAh鋰離子電池進行充電，在0.7℃快速充電電流時，且電池電壓為3V的條件下，可以預估IC運作的最大耗電量為，1.762W的耗電最大值，此一功耗會使得熱阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封裝溫度溫升127℃，即便環(huán)境溫度0℃時，也已經(jīng)超過所允許的125℃硅芯片操作溫度最大值。若設定充電電流為0.6A(0.5C)，則可降低IC溫升為90度，可以操作于35度的環(huán)境溫度中，因此是較佳的設定電流。
由以上可以得知，快速充電穩(wěn)流值和電源供應電壓的操作范圍，對于線性充電器相當重要。線性充電器的根本問題在于操作時芯片溫度較高，使得設計時必須在充電電流和散熱機構之間做取舍。但往往線性充電器的應用范圍是需要輕薄要求的便攜式產(chǎn)品，多使用導熱性差的塑料外殼，亦不考慮金屬散熱片，最后產(chǎn)品設計者唯有降低充電電流并延長充電時間，來換取較低的操作溫度?；诳蓴y式產(chǎn)品使用者，希望能夠在1~2小時中完成充電，因此線性充電器通常比較適合 1500mAh以下的低容量鋰離子電池應用。若要應用于高輸入/輸出電壓差或高容量電池的充電應用，此時可以考慮應用同步交換式充電器。
圖6所示為鋰離子電池充電器的標準充電流程，首先充電IC偵測是否有輸出短路或是過載的保護模式，若系統(tǒng)一切正常接著偵測電池初始電壓是否達到 3V以上，高于3V者就直接以快充模式進行高電流充電，若電池低于3V者，進入預充電模式，以快充的10%進行充電，喚醒電池并避免電池損壞。在預充電階段，仍隨時偵測電池電壓，達到3V后可隨即切入快充模式。
圖6：鋰離子電池充電器的標準充電流程
在快充模式下，電池的電壓以較高速度上升，升高至4.2V時，切換至4.2V的定電壓充電，由電池本生的內阻進行限流，此時充電電流就如同圖1的CV階段。隨著時間過去，充電電流呈現(xiàn)指數(shù)曲線遞減，當?shù)竭_設定電流ICHG的10%，即關閉充電器，同時指示充電完成。
然而，當電池故障時，電池可能無法儲存電能，電壓抑不會升高，所充入的能量轉變成熱，除了依靠過溫度保護機制之外，IC內部亦具有超時定時器，無論此時電池電壓狀態(tài)如何，只要超過設定充電時間后，隨即關閉充電器，以達到多重保護使用者之功能。
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使用者亦有可能在充電或式充電完畢后，在未將電源移除的情況下，即抽離電池的情況。為避免造成危險，IC內部應具有如圖7, 8的電池存在偵測機制。充電IC會以短時間脈沖(每370ms產(chǎn)生2ms的脈沖)方式抽取電池電流，此時若電池存在，則偵測到的電池電壓應大于一預設閥值；若電池已切離，則充電IC偵測到一低電壓，即可判定為電池斷開狀態(tài)，并將電池端電壓切斷，保護使用者安全。
圖7. 電池存在偵測機制
圖8：電池移除偵測機制
結論
鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢已在可攜式裝置如筆記計算機、攝影機、移動通訊中得到普遍應用。而新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設計的靈活性。同時，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池皆獲得改善。因此可以預見的是，未來鋰離子電池的充電器，亦朝向更快速的充電速率與更強健的系統(tǒng)保護能力為未來發(fā)展趨勢。
