關(guān)于電池的基礎(chǔ)分析和快充的危害介紹

在手機(jī)電池容量越來越大、使用消耗也越來越大的今天，人們關(guān)注快充技術(shù)是很合理的。

在提到快充技術(shù)的時(shí)候，高壓小電流和低壓大電流是常常被提及的技術(shù)，但很遺憾，這些都是接口技術(shù)，與電池的快充卻是無關(guān)的。

對(duì)電池的充電過程是把能量送入電池本體的過程，這些能量需要依靠電荷來攜帶運(yùn)輸，而電荷的移動(dòng)就形成了電流，所以，快充一定是用大電流才能實(shí)現(xiàn)的。

但是很可惜，大電流充電對(duì)電池是有害的。

快充的危害

這幅圖顯示的是某一款鋰離子電池在不同充電速率下的容量和充放電循環(huán)數(shù)量之間的關(guān)系，其中的C代表的是電池的容量，而1.0C則代表的是充電的速率。假如C=900mAh，這表示這顆電池在充滿電以后可以用900mA的電流進(jìn)行放電，放電時(shí)間為1小時(shí)后其電量將被耗盡，充電過程則是反過來的。用1.0C的速率對(duì)這顆電池進(jìn)行充電即表示充電的電流為900mA，如果充電速率是2.0C，則充電的電流就是900mA x 2 = 1800mA。

對(duì)于這顆電池來說，假如用1.0C的速率進(jìn)行充電，經(jīng)過500個(gè)充放電循環(huán)以后，其容量將從初始的900mAh下降到大約780mAh，剩余容量約為初始容量的86.7%。如果我們改用2.0C的速率對(duì)這顆電池進(jìn)行快速充電，經(jīng)過500個(gè)循環(huán)以后，其容量只剩下大約500mAh，為初始容量的55.6%。

電池容量的降低意味著每次充滿以后的使用時(shí)間會(huì)縮短，這與我們使用手機(jī)的時(shí)候需要越來越頻繁地進(jìn)行充電的感受是一致的，因?yàn)槭謾C(jī)電池的容量真的變得越來越小了。電池的容量下降到一定程度時(shí)，其壽命也就到了盡頭，即使它還能充電放電，但由于失去了使用價(jià)值，被舍棄是必然的結(jié)局。

上面所述的充電速率對(duì)電池壽命的影響都是在每次充電都充滿的條件下得出來的，如果不是這樣，其結(jié)論也就很難被量化地認(rèn)識(shí)，因?yàn)槟鞘遣粯?biāo)準(zhǔn)的。這樣就引出來一個(gè)問題，什么叫做充滿？

鋰離子電池的充電策略

關(guān)于鋰離子電池的充電，已被業(yè)界普遍認(rèn)同的充電方法是三階段充電策略。

當(dāng)電池電壓較低時(shí)，電池處于被過度放電的狀態(tài)，這時(shí)候不適合進(jìn)行大電流充電，我們必須用小電流對(duì)它進(jìn)行預(yù)充，使其狀態(tài)被調(diào)整至可以接受大電流充電的狀態(tài)。判斷需要進(jìn)行預(yù)充電的電壓閾值一般在3.0V左右，只要電池電壓低于這個(gè)值，充電電流就必須很小。

等到電池電壓超過預(yù)充電電壓閾值以后，可以用額定的大電流（恒定的）對(duì)電池進(jìn)行快速充電，這時(shí)候的電能就以比較快的速度進(jìn)入電池，但這個(gè)階段中的電池電壓上升速度倒不見得會(huì)很快，因?yàn)檫@個(gè)階段會(huì)經(jīng)過電池電壓的平臺(tái)區(qū)，此時(shí)的電池電壓基本上就是3.6V-3.7V左右，它會(huì)比較長(zhǎng)時(shí)間地處于這個(gè)階段。

恒流充電的目標(biāo)是用恒定的電流對(duì)電池進(jìn)行充電，所以位于電池兩端的充電電壓是可變的，其值等于電池理想部分的電壓加上充電電流流過電池內(nèi)阻形成的電壓，由于電流恒定，內(nèi)阻（假設(shè)它是不變的）上形成的電壓是不變的，變化的是電池理想部分的電壓（在充電過程中）。

恒流充電的結(jié)束發(fā)生在電池兩端電壓等于充電電路所設(shè)定的輸出電壓的時(shí)候，此后將轉(zhuǎn)入恒壓充電階段。在恒壓充電階段仍有電流流入電池，但由于促使電流恒定的壓力已經(jīng)消失，充電電流將隨著電池理想部分和充電電壓的接近而越來越小，小到一定的程度時(shí)即可認(rèn)為電池已經(jīng)充滿了，充電過程即可終止。

上述過程就是充電的三個(gè)階段，一般情況下的充電總是會(huì)經(jīng)歷恒流充電和恒壓充電過程，預(yù)充的出現(xiàn)與否則要看情況，這與實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用方法有很大關(guān)系，因?yàn)橹灰姵仉妷翰幌陆档筋A(yù)充閾值以下，預(yù)充過程就不會(huì)出現(xiàn)。

充電電壓對(duì)電池壽命的影響

在上述的充電策略中，決定什么時(shí)候充滿的關(guān)鍵因素是恒壓充電的電壓，它對(duì)電池的循環(huán)壽命有比充電電流更重大的影響，下圖是根據(jù)與此相關(guān)的數(shù)據(jù)描繪出來的。

這還是同一款電池，它的額定充電電壓是4.2V，它在此電壓下經(jīng)歷500個(gè)充放電循環(huán)以后的容量還剩余780mAh。如果改用4.25V對(duì)它進(jìn)行充電，500個(gè)循環(huán)以后的容量還剩下400mAh。如果用4.35V對(duì)它進(jìn)行充電，只需要大約240個(gè)循環(huán)，它的容量就下降到了400mAh。提高充電電壓的唯一好處是每次充電的時(shí)候都可以將電池的容量最大化，可以讓我們?cè)诋?dāng)前容量下充滿電以后的使用時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)，但對(duì)電池容量的影響卻是不好的，這直接造成其壽命的縮短。

兼顧壽命的快充方法

要想對(duì)電池進(jìn)行快充，我們首先需要對(duì)電池的設(shè)計(jì)進(jìn)行變革，使之可以承受高充電速率，這是未來的終極之路。在真正的變革實(shí)現(xiàn)以前，要想實(shí)現(xiàn)快充，我們可以從上述的電池特性中找到一種折衷的方法。

從充電速率和充電電壓對(duì)電池壽命的影響特性上看，充電電壓對(duì)壽命的影響更大。當(dāng)電池壽命由于采用高速率充電而縮短了的時(shí)候，我們可以把充電的電壓降低一點(diǎn)，換一種說法就是每次充電的時(shí)候不要充得太滿，這樣就可以把電池的壽命延長(zhǎng)一點(diǎn)，兩者對(duì)沖的結(jié)果就是充電的速度提高了而電池壽命并沒有下降太多，只是每次充“滿”電以后的使用時(shí)間會(huì)受到些影響，但這種單次使用時(shí)間的影響又可以被快速充電所節(jié)省的時(shí)間彌補(bǔ)回來。這樣的思考，重點(diǎn)在于體驗(yàn)的改善，不在于具體的數(shù)據(jù)上。

如何實(shí)施？

進(jìn)行大電流充電的時(shí)候，選用線性充電IC對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電通常是不明智的，因?yàn)榇箅娏饕馕吨吖?，這些功耗只能轉(zhuǎn)化為熱使系統(tǒng)的工作環(huán)境惡化，也是非常不安全的，因?yàn)殇囯x子電池怕熱（它也同時(shí)怕冷）。最佳的選擇應(yīng)該是開關(guān)方式工作的充電器件，它們以高轉(zhuǎn)換效率將輸入的電能轉(zhuǎn)化為送入電池的電流，發(fā)熱量可以很低。

在大多數(shù)狀況下，實(shí)用的開關(guān)方式充電IC的電路架構(gòu)都是Buck拓?fù)?，它具有電流放大器的特征，容許使用較高的輸入電壓，而輸入電流則可以大大降低，由傳輸線路的阻抗造成的功耗下降，可以降低對(duì)接口部分連接器的電流通過能力的要求。

Buck拓?fù)浞催^來看就是一個(gè)Boost轉(zhuǎn)換器，可以用它將電池電壓升高到5V并送到電源供應(yīng)端口，這正好符合USB OTG應(yīng)用的需求，可以擴(kuò)大相應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用空間。

RT9460正是這樣的一款鋰離子電池充電IC，其應(yīng)用電路如下圖所示：

RT9460的建議工作電壓范圍為4.3V~15V，最高容許輸入電壓為28V，但在16V以上輸入時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)生過壓保護(hù)以防范可能的損害。它可以根據(jù)需要設(shè)定輸入電壓調(diào)整范圍，使之可以自動(dòng)適應(yīng)5V/9V/12V/16V的適配器并為它們提供限流限壓保護(hù)，自動(dòng)匹配其最大輸出功率，實(shí)現(xiàn)充電速度的最大化。

RT9460的所有工作參數(shù)都是可以調(diào)整的，這樣的調(diào)整命令可以通過I2C總線接口向其發(fā)送。例如，你可以在1.25A~3.125A的范圍內(nèi)調(diào)整充電電流，這樣就可以滿足各種不同規(guī)格的電池的需要，也可以在快充和慢充之間進(jìn)行自由選擇；你也可以在3.5V~4.62V之間對(duì)恒壓充電電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅可以滿足充滿程度調(diào)節(jié)的需要，也可以適合各種不同類型的電池，像磷酸鐵鋰離子電池就不需要我們常用的4.2V充電電壓，3.6V就可以滿足其需要了。如果應(yīng)用有需要，也可以將RT9460配置為Boost工作模式對(duì)外提供5V輸出，這種情況下的輸出電流限制可以被設(shè)定為0.5A或1A，而輸出電壓實(shí)際上也可以在4.425V~5.825V之間進(jìn)行任意調(diào)節(jié)。

在立锜提供的電池充電管理方案中，除了這種單一的器件以外，還有完整的充電系統(tǒng)解決方案，范圍覆蓋從交流輸入端開始直至電池設(shè)備端的全部?jī)?nèi)容，這些解決方案很多是和USB Type-C接口及USB PD協(xié)議完全兼容的產(chǎn)品，而且已經(jīng)在和手機(jī)大廠的配合中得到驗(yàn)證并量產(chǎn)，是安全又穩(wěn)定的產(chǎn)品，請(qǐng)有需要的朋友和我們聯(lián)絡(luò)，我們可以提供一對(duì)一的全面服務(wù)。