鋰離子電池充放電安全簡介及電池檢測設(shè)計(jì)

　　手機(jī)的鋰離子電池充電安全性日益受到消費(fèi)者重視，因此充電器制造商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，須掌握鋰離子電池的相關(guān)規(guī)格和特性，并使用具備完善電池檢測及保護(hù)功能的充電芯片，以降低過電流、過電壓或過溫等狀況所造成的危險(xiǎn)。

　　隨著科技進(jìn)步、生活質(zhì)量提升，電子產(chǎn)品的蹤跡到處可見，其中又以手機(jī)為人類生活中不可或缺的必需品。不論是早期黑金剛手機(jī)或現(xiàn)今功能強(qiáng)大的智能手機(jī)，皆需要電源才能運(yùn)作。

　　早期手機(jī)的電池主要有二種，一是鎳氫、鎳鎘電池,二是鋰離子電池，但現(xiàn)在使用鎳氫、鎳鎘電池來做為電源的手機(jī)，已經(jīng)是非常的少見，絕大部分都是使用鋰離子電池，尤其消費(fèi)者希望手機(jī)待機(jī)時(shí)間更長，且體積要更小，所以鎳氫、鎳鎘電池已經(jīng)慢慢不能符合消費(fèi)者的期望而被淘汰。 雖然鎳氫、鎳鎘電池在價(jià)格以及替代電池取得的便利性優(yōu)于鋰離子電池，在其他電子產(chǎn)品上仍舊可看到鎳氫、鎳鎘電池的蹤跡;但是，在體積、重量及容量方面，鎳氫、鎳鎘電池皆不如鋰離子電池，所以現(xiàn)今標(biāo)榜著輕薄短小的電子產(chǎn)品，幾乎都是使用鋰離子電池。

　　智能型手機(jī)因其功能強(qiáng)大、屏幕耗電量大，更是需要電池容量大及電力更耐久的鋰離子電池。當(dāng)手機(jī)電池電量不足時(shí)，使用者通常會(huì)以充電器或搭配一組移動(dòng)電源隨時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。

　　體積/容量兼具 鋰離子電池為電子產(chǎn)品首選

　　充電電池依其材質(zhì)的不同可分為四類：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。

　　表1 充電電池比較表

　　由表1優(yōu)缺點(diǎn)看來，鎳鎘、鎳氫及鋰離子電池較適合使用在電子產(chǎn)品上;而鋰離子電池?zé)o論是在體積、重量及容量(電子產(chǎn)品的使用時(shí)間)較優(yōu)于鎳鎘、鎳氫電池，也無記憶效應(yīng)的問題，所以鋰離子電池在電子產(chǎn)品使用上似乎方便許多。

　　延長使用壽命 鋰離子電池充/放電壓成關(guān)鍵

　　一般來說，鋰離子電池會(huì)有電性安全的范圍限制。由于鋰離子電池的特性，當(dāng)電池電壓在充電時(shí)上升到最高設(shè)定電壓后，要立即停止充電，避免電池因過充電造成電池?fù)p毀而產(chǎn)生危險(xiǎn);電池供電(放電)時(shí)，電池電壓如果降至最低設(shè)定電壓以下便要停止放電，避免因過放電而降低使用壽命。

　　此外，為確保電池使用上的安全，鋰離子電池還必須要加裝短路保護(hù)，以避免發(fā)生危險(xiǎn);即使大多數(shù)的鋰離子電池都有加裝保護(hù)電路，然而在選擇優(yōu)質(zhì)的充電器或移動(dòng)電源時(shí)，這仍然是一項(xiàng)重要的考量因素。

　　鋰離子電池充電器首重安全

　　充電器是將電池充至其額定電壓的設(shè)備，而鋰離子電池充電器必須具備以下幾點(diǎn)特性：

　　.可提供固定電流給充電電池

　　當(dāng)電池電壓到達(dá)最大值且不再上升時(shí)，其充電電流便會(huì)開始下降，如此可避免對(duì)電池過度充電，造成電池?fù)p傷;當(dāng)充電電流降至一定程度時(shí)，充電器將停止充電。

　　.確保電池具備可使用電壓

　　電池在充電完成后，若長時(shí)間放置不使用會(huì)有自然放電的情形出現(xiàn)，為避免電池過度自放電導(dǎo)致電池電壓下降，當(dāng)電池電壓低于所設(shè)定電壓時(shí)，充電器會(huì)重新開始對(duì)電池充電，確保電池在使用時(shí)還能維持一定電壓。

　　四階段充電簡述

　　以下使用沛亨半導(dǎo)體的充電集成電路(IC)--AIC6511做鋰離子電池充電簡介，圖1為鋰離子電池充電曲線圖：

　　圖1 鋰離子電池充電曲線圖

　　.Trickle Charge or Pre-Charge

　　此時(shí)的鋰離子電池電壓小于3伏特(V)，當(dāng)充電器開始對(duì)電池充電時(shí)，因鋰離子電池的特性，其內(nèi)部阻抗會(huì)很大，故充電器會(huì)先以一微小電流對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)電池電壓持續(xù)上升。

　　.定電流充電(Constant Current Charge, CC Charge)

　　當(dāng)電池充電電壓上升至約3伏特時(shí)，充電器改以最大充電電流對(duì)電池進(jìn)行定電流充電，此時(shí)電池電壓持續(xù)上升。

　　.定電壓充電(Constant Voltage Charge, CV Charge)

　　當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點(diǎn)電壓約4.2伏特時(shí)，充電器改以定電壓模式對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流開始下降。

　　.Charge Full

　　當(dāng)充電電流降至微小電流時(shí)，充電器停止對(duì)電池充電。

　　電池在充電完成后，若長時(shí)間放置不使用會(huì)有自然放電的情形出現(xiàn)，為避免電池過度放電導(dǎo)致電池電壓下降，電源IC在鋰離子電池電壓降至4伏特時(shí)，會(huì)重新開始對(duì)電池進(jìn)行CC Charge模式充電，確保電池在使用時(shí)還能維持一定電壓。

　　鋰離子電池充電周期

　　因鋰離子電池的特性，若鋰離子電池在充電之前已深度放電，此時(shí)充電器會(huì)先以微弱電流對(duì)電池進(jìn)行Pre-Charge充電(各家廠商設(shè)定值不同，本文使用范例的充電IC設(shè)定值約為10%的最大充電電流)，充電時(shí)電池電壓上升。

　　當(dāng)電池電壓上升至約3伏特，充電器改以最大充電電流對(duì)電池進(jìn)行CC Charge,電池電壓持續(xù)上升。

　　當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點(diǎn)電壓約4.2伏特時(shí)，充電器改以CV Charge對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流開始下降，當(dāng)充電電流降至約等于Pre-Charge電流時(shí)，充電器停止對(duì)電池充電，即完成充電。

　　不論是用通用序列總線(USB)或AC電源轉(zhuǎn)換器(Adapter)輸入電源對(duì)電池充電，當(dāng)電池開始充電后，若充電時(shí)間超過其設(shè)定時(shí)間，充電器仍然操作于Pre-Charge模式而未進(jìn)入CC Charge模式，或者仍然操作于CC/CV Charge模式而未進(jìn)入充電完成狀態(tài)，則透過IC的充電計(jì)時(shí)保護(hù)功能使充電器停止對(duì)電池充電。

　　充電計(jì)時(shí)保護(hù)確保電池安全

　　圖2為本文范例充電IC的腳位示意圖，充電計(jì)時(shí)保護(hù)時(shí)間由IC外部TMR腳位(Pin 15)的電容CTMR設(shè)定，CTMR選擇方式如下：

　　圖2 AIC6511腳位示意圖

　　.Pre-Charge充電時(shí)間：

　　……(Minutes)

　　.完整充電時(shí)間：

　　……Minutes)

　　若電池在充電狀態(tài)下，充電時(shí)間已超過使用者所設(shè)定的充電計(jì)時(shí)保護(hù)時(shí)間，但充電器卻仍尚未脫離當(dāng)前的充電狀態(tài)或結(jié)束充電，這時(shí)IC的充電計(jì)時(shí)保護(hù)功能就會(huì)立即啟動(dòng)，迫使充電器停止對(duì)電池充電(圖3)，此時(shí)的STAT1(Pin 12)位準(zhǔn)為High,LED1指示燈為不亮(圖4);若將TMR(Pin 15)腳位連接至GND(Pin 6)腳位，便可以解除使充電計(jì)時(shí)保護(hù)功能。

　　圖3 充電器是否正確檢測電池充電情形，對(duì)于使用安全至關(guān)重要