鋰離子電池及其充電器設(shè)計研究

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(guān)鋰離子電池的相關(guān)知識，包括它的特性、主要參數(shù)、應(yīng)用范圍，最后并提供鋰離子電池充電線路之設(shè)計參考。

鋰離子電池發(fā)展與應(yīng)用

鋰離子電池是目前應(yīng)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(yīng)用，也可以將多節(jié)電池進(jìn)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(jī)。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(yùn)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(jié)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(xué)電池，其充放電工作過程是通過電池正負(fù)極中鋰離子的嵌入和脫嵌來實現(xiàn)的，當(dāng)對電池進(jìn)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(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)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(dāng)對電池進(jìn)行放電時，嵌在負(fù)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(fù)極到正極的循環(huán)運(yùn)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(fù)極通過電池內(nèi)部移到正極時，電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無關(guān)。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(yīng)中，每公斤反應(yīng)物質(zhì)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(yīng)物并不全按電池反應(yīng)進(jìn)行，同時電池內(nèi)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(nèi)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(shù)可達(dá)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(yīng)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(biāo)稱值)，相當(dāng)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(jī)運(yùn)輸關(guān)于禁止在客機(jī)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(guān)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(yīng)。

●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(nèi)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?fù)p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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)品之外，多數(shù)鋰離子電池體積外型各異，以實際應(yīng)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(shè)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(hù)措施，而非正常的使用方式，為充分達(dá)到電池的壽命與效率，充電器的設(shè)計仍需離此一上下限甚遠(yuǎn)。

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(nèi)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(yīng)小于最大放電電流。鋰離子電池對充電品質(zhì)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(nèi)(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(yán)重者導(dǎo)致電池爆炸；鋰離子電池的充電電流應(yīng)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(biāo)稱可達(dá)2C(C是電池的容量，標(biāo)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(xué)反應(yīng)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(jìn)行溫度檢測，并且在超過設(shè)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(shè)定的限流電阻，保證充電電流不超過設(shè)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(yù)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(shè)計完善的充電器可對過放的電池進(jìn)行挽救修復(fù)，即在正式充電前進(jìn)行預(yù)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(yù)充電模式，讓處于深度放電狀態(tài)下而溶解的鈍化膜進(jìn)行還原。此外，當(dāng)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(jìn)行強(qiáng)迫充電就會導(dǎo)致電池過熱，而預(yù)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。

當(dāng)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(shè)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(jié)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(dāng)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(jié)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(dāng)電池穩(wěn)壓低于4.2V，可能導(dǎo)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(dá)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(dǎo)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(jìn)行充電會形成更多金屬鋰，會導(dǎo)致電池阻抗增加與電池劣化。在高溫環(huán)境下進(jìn)行充電，則會增加鋰離子與電解液的反應(yīng)而加速電池劣化。

一般而言，建議長時間不使用時，應(yīng)將電池充至70 - 80%進(jìn)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(dǎo)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(shè)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(yīng)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(shè)計范例，構(gòu)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(yīng)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(fù)載端電流進(jìn)行加載/卸載的情況下，實時調(diào)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(nèi)整合有溫度檢測功能，如果IC溫度超過設(shè)定值。會自動降低充電電流以保護(hù)芯片避免損壞。

LD6275將電源適配器/USB埠的5V直流電源進(jìn)行降壓穩(wěn)流，對鋰離子電池進(jìn)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(shè)定最大充電電流限制。同時支持計算機(jī)USB端口充電模式，并依據(jù)外部腳位EN1與EN2進(jìn)行設(shè)定，各模式請見表1。透過為USB 500mA與USB 100mA操作模式設(shè)定，可以保護(hù)PC端USB埠避免過載。

表1：充電模式設(shè)定

LD6275 具有適應(yīng)性電源路徑管理(Adaptable Power Path Management, APPM)功能，其為以供給系統(tǒng)端用電為主，對電池充電為輔，如圖3所示；當(dāng)系統(tǒng)用電超過輸入電源的供給限制時，其電池亦能主動開啟放電功能同時對系統(tǒng)端供給其所需之電能需求，如圖4所示。

圖4. APPM

LD6275開放兩段的電池設(shè)定電壓與充電電流的調(diào)整，可根據(jù)其需求動態(tài)調(diào)整，如為符合日本JEITA的規(guī)范要求根據(jù)電池之溫度而調(diào)整充電器之設(shè)定，如下圖5表示。

圖5：TVSET, TISET調(diào)整

由于LD6275本身耗電極小，僅1~2mA,幾乎可以忽略，因此IC本身發(fā)熱功率Pd可以由下列公式計算：

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(shè)定充電電流，由外部電阻RCISET設(shè)定之。當(dāng)電池電壓低于3V時，會進(jìn)入預(yù)充電模式，IC內(nèi)部預(yù)設(shè)以ICHG的10%電流進(jìn)行充電。

假設(shè)使用5.5V電源供應(yīng)器對單顆1200mAh鋰離子電池進(jìn)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(yù)估IC運(yùn)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(shè)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(shè)定電流。

由以上可以得知，快速充電穩(wěn)流值和電源供應(yīng)電壓的操作范圍，對于線性充電器相當(dāng)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(shè)計時必須在充電電流和散熱機(jī)構(gòu)之間做取舍。但往往線性充電器的應(yīng)用范圍是需要輕薄要求的便攜式產(chǎn)品，多使用導(dǎo)熱性差的塑料外殼，亦不考慮金屬散熱片，最后產(chǎn)品設(shè)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(yīng)用。若要應(yīng)用于高輸入/輸出電壓差或高容量電池的充電應(yīng)用，此時可以考慮應(yīng)用同步交換式充電器。

圖6所示為鋰離子電池充電器的標(biāo)準(zhǔn)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(hù)模式，若系統(tǒng)一切正常接著偵測電池初始電壓是否達(dá)到 3V以上，高于3V者就直接以快充模式進(jìn)行高電流充電，若電池低于3V者，進(jìn)入預(yù)充電模式，以快充的10%進(jìn)行充電，喚醒電池并避免電池?fù)p壞。在預(yù)充電階段，仍隨時偵測電池電壓，達(dá)到3V后可隨即切入快充模式。

圖6：鋰離子電池充電器的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)阻進(jìn)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(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定電流ICHG的10%，即關(guān)閉充電器，同時指示充電完成。

然而，當(dāng)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(zhuǎn)變成熱，除了依靠過溫度保護(hù)機(jī)制之外，IC內(nèi)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(shè)定充電時間后，隨即關(guān)閉充電器，以達(dá)到多重保護(hù)使用者之功能。

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(nèi)部應(yīng)具有如圖7, 8的電池存在偵測機(jī)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(yīng)大于一預(yù)設(shè)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(hù)使用者安全。

圖7. 電池存在偵測機(jī)制

圖8：電池移除偵測機(jī)制

結(jié)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(jī)、攝影機(jī)、移動通訊中得到普遍應(yīng)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(shè)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(yù)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(qiáng)健的系統(tǒng)保護(hù)能力為未來發(fā)展趨勢。