教你如何正確選擇鋰電池充電系統(tǒng)

在有些應(yīng)用中，較長(zhǎng)的電池壽命、較多的充電次數(shù)或較安全的電池比電池容量更重要。本文介紹幾種可以極大延長(zhǎng)電池壽命的鋰離子電池充電和放電方法。

幾乎所有高性能便攜式產(chǎn)品都會(huì)使用包括鋰離子聚合物電池在內(nèi)的可再充電鋰離子電池，這是因?yàn)榕c其他可再充電電池相比，鋰離子電池有較高的能量密度、較高的電池電壓、自放電少、周期壽命非常長(zhǎng)，而且環(huán)保，且充電和維護(hù)簡(jiǎn)單。另外，由于其具有相對(duì)高的電壓(2.9V至4.2V)，因此很多便攜式產(chǎn)品都能用單節(jié)電池工作，從而簡(jiǎn)化了產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)。C速率等于特定條件下的充電或放電電流，定義如下：I=M×Cn

其中：I = 充電或放電電流，單位為A;M = C的倍數(shù)或分?jǐn)?shù);C = 額定容量的數(shù)值，單位為Ah;N = 小時(shí)數(shù)(對(duì)應(yīng)于C)。

以1倍C速率放電的電池將在一個(gè)小時(shí)內(nèi)釋放標(biāo)稱(chēng)的額定容量。例如，如果標(biāo)稱(chēng)容量是1000mAhr,那么1C的放電速率對(duì)應(yīng)于1000mA的放電電流，C/10的速率對(duì)應(yīng)100mA的放電電流。

通常生產(chǎn)商標(biāo)定的電池容量都是指n=5時(shí)，即5小時(shí)放電的容量。例如，上述電池在200mA恒流放電時(shí)能夠提供5小時(shí)的工作時(shí)間。理論上該電池在1000mA恒流放電時(shí)能夠提供1小時(shí)的工作時(shí)間。然而實(shí)際上由于大電池放電時(shí)效能降低，此時(shí)的工作時(shí)間將小于1小時(shí)。

給鋰離子電池充電的推薦方法是，向電池提供一個(gè)±1%限壓的恒定電流，直到電池充滿(mǎn)電，然后停止充電。用來(lái)決定電池何時(shí)充滿(mǎn)電的方法包括：給總的充電時(shí)間定時(shí)、監(jiān)視充電電流或兼用這兩種方法。第一種方法采用限壓恒定電流，變化范圍從C/2到1C,持續(xù)2.5至3小時(shí)，使電池達(dá)到100%充電。也可以使用較低的充電電流，但是將需要更長(zhǎng)時(shí)間。第二種方法與第一種方法類(lèi)似，只是需要監(jiān)視充電電流。隨著電池的充電，電壓上升，這與采用第一種方法時(shí)完全相同。電池電壓達(dá)到編程限壓值(也稱(chēng)為浮動(dòng)電壓)時(shí)，充電電流開(kāi)始下降。電流一開(kāi)始下降時(shí)，電池約充電至容量的50%至60%.浮動(dòng)電壓繼續(xù)提供，直到充電電流降至足夠低的水平(C/10至C/20)，這時(shí)電池約充電至容量的92%至99%,充電周期終止。目前，要為標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池快速充電(不到1小時(shí))至容量的100%,還沒(méi)有一種安全的方法。

有些鋰離子電池充電器允許使用熱敏電阻監(jiān)視電池溫度。這么做的主要目的是，如果電池溫度超出推薦的0℃至40℃窗口范圍，就禁止充電。與鎳鎘或鎳氫金屬電池不同，鋰離子電池在充電時(shí)溫度上升非常少。圖1是一個(gè)典型的鋰離子電池充電曲線，圖中顯示了充電電流、電池電壓和電池容量隨時(shí)間的變化。那么怎樣才能正確地為鋰離子電池充電呢?鋰離子電池最適合的充電過(guò)程可以分為四個(gè)階段：涓流充電、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。參考圖1.

階段1:涓流充電--涓流充電用來(lái)先對(duì)完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在電池電壓低于3V左右時(shí)，先采用最大0.1C的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電。

階段2:恒流充電--當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時(shí)，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。恒流充電時(shí)的電流并不要求十分精確，準(zhǔn)恒定電流也可以。在線性充電器設(shè)計(jì)中，電流經(jīng)常隨著電池電壓的上升而上升，以盡量減輕傳輸晶體管上的 散熱問(wèn)題。大于1C的恒流充電并不會(huì)縮短整個(gè)充電周期時(shí)間，因此這種做法不可取。當(dāng)以更高電流充電時(shí)，由于電極反應(yīng)的過(guò)壓以及電池內(nèi)部阻抗上的電壓上升，電池電壓會(huì)更快速地上升。恒流充電階段會(huì)變短，但由于下面恒壓充電階段的時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，因此總的充電周期時(shí)間并不會(huì)縮短。

階段3:恒壓充電-- 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，恒流充電結(jié)束，開(kāi)始恒壓充電階段。為使性能達(dá)到最佳，穩(wěn)壓容差應(yīng)當(dāng)優(yōu)于+1%.

階段4:充電終止--與鎳電池不同，并不建議對(duì)鋰離子電池連續(xù)涓流充電。連續(xù)涓流充電會(huì)導(dǎo)致金屬鋰出現(xiàn)極板電鍍效應(yīng)。這會(huì)使電池不穩(wěn)定，并且有可能導(dǎo)致突然的自動(dòng)快速解體。

有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時(shí)終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)充電兩個(gè)小時(shí)后終止充電過(guò)程。

上述四階段的充電法完成對(duì)完全放電電池的充電約需要2.5至3小時(shí)。高級(jí)充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口(通常為0℃至45℃)，那么充電會(huì)暫停。

1 決定鋰離子電池周期壽命或服務(wù)壽命的因素

不存在任何延長(zhǎng)或縮短電池壽命的單一因素，而常常是幾種因素合起來(lái)發(fā)揮作用。就延長(zhǎng)周期壽命而言有以下方法可以延長(zhǎng)電池壽命：

1).采用部分放電的做法。在再充電前僅使用20%或30%的電池容量會(huì)極大延長(zhǎng)周期壽命。作為一個(gè)一般性的規(guī)則，5至10個(gè)淺放電周期等于1個(gè)滿(mǎn)放電周期。盡管部分放電周期可能達(dá)到數(shù)千次，但是保持電池處于滿(mǎn)充電狀態(tài)也縮短電池壽命。如果可能，應(yīng)該避免滿(mǎn)放電周期(降至2.5V或3V,取決于化學(xué)材料)。

2).避免充電至容量的100%.選擇一個(gè)較低的浮動(dòng)電壓可以做到這一點(diǎn)。降低浮動(dòng)電壓將提高周期壽命和服務(wù)壽命，代價(jià)是降低電池容量。浮動(dòng)電壓降低100mV至300mV可以將周期壽命延長(zhǎng)2至5倍或更長(zhǎng)。與其他化學(xué)材料相比，鋰離子鈷化學(xué)材料對(duì)較高浮動(dòng)電壓更敏感。磷酸鋰離子電池一般比更常見(jiàn)的鋰離子電池的浮動(dòng)電壓低。

3). 選擇合適的充電終止方法。選擇一個(gè)采用最小充電電流終止(C/10或C/x)的充電器，通過(guò)不充電到容量的100%,也可以延長(zhǎng)電池壽命。例如，電流降至C/5時(shí)結(jié)束充電周期與將浮動(dòng)電壓降至4.1V的效果類(lèi)似。在這兩種情況下，電池都只充電至約為容量的85%,這是決定電池壽命的一個(gè)重要因素。

4).限制電池溫度。限制電池的極限溫度可以延長(zhǎng)電池壽命，尤其是禁止在0℃以下充電。在0℃以下充電促進(jìn)金屬在電池陽(yáng)極上的鍍敷，這可能造成內(nèi)部短路，產(chǎn)生熱量并使電池不穩(wěn)定和不安全。很多電池充電器都有測(cè)量電池溫度的裝置，以確保不會(huì)在極限溫度時(shí)充電。

5).避免大的充電和放電電流，因?yàn)檫@會(huì)縮短周期壽命。有些化學(xué)材料更適合較大電流，如鋰離子錳和磷酸鋰離子電池。大電流給電池施加了過(guò)大的壓力。

6).避免低于2V或2.5V的深度放電，因?yàn)檫@會(huì)迅速永久性損壞鋰離子電池?？赡馨l(fā)生內(nèi)部金屬鍍敷，這會(huì)引起短路，使電池不可用或不安全。大多數(shù)鋰離子電池在電池組內(nèi)部都有電子電路，如果充電或放電時(shí)電池電壓低于2.5V、超過(guò)4.3V或如果電池電流超過(guò)預(yù)定門(mén)限值，該電子電路就會(huì)斷開(kāi)電池連接。

2 鋰離子充電--系統(tǒng)注意事項(xiàng)

要快速可靠地完成充電過(guò)程需要一個(gè)高性能的充電系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到以下系統(tǒng)參數(shù)：

2.1 輸入源

許多應(yīng)用都采用極廉價(jià)的墻式適配器作為輸入電源。其輸出電壓主要依賴(lài)于交流輸入電壓和從墻式適配器流出的負(fù)載電流。

在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的墻面插座上交流母線輸入電壓的變化范圍一般為90VRMS至132VRMS.假設(shè)額定輸入電壓為120VRMS,容差為+10%, ?25%.充電器必須為電池提供適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓措施，從而不受輸入電壓的影響。充電器的輸入電壓與交流母線電壓和充電電流成比例：

VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD

REQ是次級(jí)繞組的電阻與初級(jí)繞組反射電阻的和。RPTC是PTC的電阻，VFD是橋式整流器的前向壓降。此外變壓器磁芯損失也會(huì)使輸出電壓略有降低。

利用汽車(chē)適配器充電的應(yīng)用也會(huì)遇到類(lèi)似的問(wèn)題。汽車(chē)適配器的輸出電壓典型范圍為9V至18V.

2.2 恒流充電的速率和精度

特定應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇可能要由充電電流來(lái)決定。出于尺寸和成本方面的考慮，低檔和中檔的快速充電應(yīng)用則傾向于采用線性解決方案，然 而線性解決方案會(huì)以熱的形式損失更多能耗。對(duì)于線性充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，恒流充電的容差變得極為重要。如果穩(wěn)壓容差太大，傳輸晶體管和其他元器件都需要更大體 積，從而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充電電流過(guò)小，整個(gè)充電周期將會(huì)延長(zhǎng)。

2.3 輸出電壓的穩(wěn)定精度

為了盡可能地充分利用電池容量，輸出電壓穩(wěn)壓精度非常關(guān)鍵。輸出電壓精度的小幅度下降也會(huì)導(dǎo)致電池容量的大幅減少。然而出于安全和可靠性方面的考慮，輸出電壓也不能隨意設(shè)置得過(guò)高。圖2顯示出了輸出電壓穩(wěn)定精度的重要性。

3 充電終止方法

毋庸置疑，過(guò)充始終是鋰離子電池充電的心頭大患。準(zhǔn)確的充電終止方法對(duì)于安全可靠的充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

3.1 電池溫度監(jiān)控

一般情況下，鋰離子電池充電時(shí)的溫度范圍應(yīng)當(dāng)在0℃至45℃。在此溫度范圍之外對(duì)電池充電會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱。在充電周期中，電池內(nèi)的壓力上升還會(huì) 導(dǎo)致電池膨脹。隨著溫度上升，壓力也會(huì)過(guò)大，這可能會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的機(jī)械破裂或材料泄漏，嚴(yán)重時(shí)還有可能導(dǎo)致爆炸。在此溫度范圍之外 對(duì)電池充電還會(huì)損害電池的性能，或縮短電池的預(yù)期壽命。

通常鋰離子電池包內(nèi)都采用了熱敏電阻來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量電池溫度。充電器檢測(cè)熱敏電阻的阻值，當(dāng)阻值超出規(guī)定工作范圍，即溫度超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，充電被禁止。

3.2 電池放電電流或反向泄漏電流

在許多應(yīng)用中，即使輸入電源不存在，充電系統(tǒng)仍然與電池相連。充電系統(tǒng)必須保證輸入電源不存在時(shí)，從電池汲取的電流極小。最大泄漏電流應(yīng)當(dāng)小于幾個(gè)微安，通常應(yīng)小于一個(gè)微安。

4 鋰離子充電--應(yīng)用實(shí)例

將以上幾點(diǎn)系統(tǒng)注意事項(xiàng)事先充分考慮，就能開(kāi)發(fā)出適合的充電管理系統(tǒng)。

4.1 線性解決方案

當(dāng)存在穩(wěn)壓良好的輸入電源時(shí)，通常采用線性充電解決方案。在此類(lèi)應(yīng)用中，線性解決方案的優(yōu)點(diǎn)包括易用、尺寸小以及成本低。由于線性充電解決方案 效率低因此影響設(shè)計(jì)的最重要因素就是散熱設(shè)計(jì)。最糟的情況是器件從涓流充電階段向 恒流充電階段轉(zhuǎn)換時(shí)，在此情況下，傳輸晶體管必須散發(fā)最大的熱能，必須在充電電流、系統(tǒng)尺寸、成本和散熱要求之間進(jìn)行權(quán)衡。

例如，應(yīng)用中需要利用一個(gè)5V ±5%的輸入電源以0.5C或1C的恒定電流對(duì)一個(gè)1000mAh的單節(jié)鋰離子電池充電。圖3顯示了如何利用Microchip的 MCP73843構(gòu)成一個(gè)低成本的獨(dú)立解決方案，只需要極少量的外部元器件，就可以實(shí)現(xiàn)所需要的充電算法。MCP73843完美地結(jié)合了高精度恒流充電、 恒壓穩(wěn)壓以及自動(dòng)充電終止等功能。

為進(jìn)一步減小線性解決方案的尺寸、降低其成本和復(fù)雜性，許多外部元器件都可以集成到充電管理控制器中。先進(jìn)的封裝可以提供更高的集成度，當(dāng)然也會(huì)犧牲一定的靈活性。此外此類(lèi)充電管理控制器 還會(huì)實(shí)現(xiàn)一定的熱調(diào)節(jié)功能。熱調(diào)節(jié)功能可根據(jù)器件管芯溫度來(lái)限制充電電流，從而可在保證器件可靠性的情況下優(yōu)化充電周期時(shí)間，熱調(diào)節(jié)功能大大降低了散熱設(shè) 計(jì)的工作量。

基于Microchip MCP73861的全集成線性解決方案如圖4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外還包括電流檢測(cè)、傳輸晶體管、反向放電保護(hù)以及電池溫度監(jiān)測(cè)。

4.2 充電周期波形

利用MCP73843在1C和0.5C恒流充電速率下的整個(gè)充電周期如圖5.以0.5C而不是1C速率充電時(shí)，充電結(jié)束的時(shí)間大約晚了一個(gè)小時(shí)。充電終止電流從0.07C降到0.035C,使得最終電池容量從~98%增長(zhǎng)到~100%.系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須在充電時(shí)間、功率損耗和可用電池容量之間進(jìn)行權(quán)衡。

4.3 開(kāi)關(guān)式充電解決方案

輸入電壓波動(dòng)范圍寬或輸入輸出電壓差大的應(yīng)用通常采用開(kāi)關(guān)式充電解決方案。例如應(yīng)用中需要利用汽車(chē)適配器以0.5C或1C的恒定電流對(duì)一個(gè)2200mAh的單節(jié)鋰離子電池充電，由于散熱等問(wèn)題，利用線性解決方案實(shí)現(xiàn)極為困難，當(dāng)然也可以采用支持熱調(diào)節(jié)的線性解決方案，但降低充電電流造成的充電周期延長(zhǎng)是無(wú)法接受的。

成功設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)式充電解決方案的第一步是選擇設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：降壓式、升壓式、升/降壓式、反激式、單端初級(jí)電感式或者其他形式。SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是低端柵極驅(qū)動(dòng)和電流檢測(cè)、持續(xù)輸 入電流以及輸入和輸出間的直流隔離，其主要缺點(diǎn)是需要兩個(gè)電感和一個(gè)能量傳輸電容。

MCP1630是一款可配合單片機(jī)使用的高速脈寬調(diào)制器，配合單片機(jī)，MCP1630可控制電源系統(tǒng)占空比，提供輸出電壓或電流穩(wěn)定 功能。PIC16F684單片機(jī)可用于輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流，以及開(kāi)關(guān)頻率和最大占空比的調(diào)整。MCP1630產(chǎn)生占空比，并可根據(jù)不同外部輸入提供快速過(guò)流保 護(hù)。充電器采用的電源結(jié)構(gòu)是SEPIC.單片機(jī)提供了極大的設(shè)計(jì)靈活 性。此外單片機(jī)還可以與電池包內(nèi)的電池監(jiān)控器通信，從而大大縮短充電周期時(shí)間。

利用開(kāi)關(guān)式充電解決方案的整個(gè)充電周期如圖6所示。通過(guò)在充電系統(tǒng)中采用電池監(jiān)控器，可以大大縮短充電周期，使用電池監(jiān)控器就不必再檢測(cè)電池包保護(hù)電路兩端的電壓以及充電電流的接觸電阻。

5 結(jié)論

在目前的便攜式產(chǎn)品中，要正確地實(shí)現(xiàn)電池充電需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)考慮。本文討論了鋰離子電池的線性和開(kāi)關(guān)式充電解決方案，本文所探討的指導(dǎo)原則和設(shè)計(jì)考慮要素，實(shí)際上也是所有電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要考慮的。