了解Li+電池操作可減少充電安全問題

由于高能量/功率密度，相對于鋰離子（Li+）電池技術(shù)的重量和體積，在電池充電和放電時存在一些揮之不去的安全問題。雖然Li+電池已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但對Li+電池操作的改進(jìn)仍在進(jìn)行中。本應(yīng)用筆記介紹了其中的一些改進(jìn)。它還介紹了各種充電控制方案，以確保使用恒流恒壓（CCCV）方法對電池進(jìn)行正確充電。幾種充電電路說明了單節(jié)和多節(jié)Li+充電器的方法。

介紹

納米技術(shù)的最新突破提高了鋰離子（Li+）電池的功率密度和充電/放電速率。這些新功能支持需要高功率密度和高充電/放電速率的應(yīng)用。當(dāng)然，這些要求是對便攜式娛樂和便攜式計算應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)電池容量的補(bǔ)充。大功率電池非常適合用于電動工具和其他電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用;它們具有Li+優(yōu)勢和鎳鎘能力，并且對環(huán)境的影響很?。ù蠖鄶?shù)類型有資格在常規(guī)垃圾流中處置）。

隨著技術(shù)使集中能量設(shè)備（高能量密度）能夠快速交付（高放電率和高功率密度），安全問題出現(xiàn)了。作為參考點(diǎn)，典型的Li+ 4芯2安培小時（Ah）電池組存儲的能量水平約為100kJ，而手榴彈（150g TNT）具有600kJ。如果以不受控制的方式釋放如此多的能量，人身傷害和/或財產(chǎn)損失的可能性是顯而易見的。

電池安全有幾個方面。最重要的是防止人身傷害或財產(chǎn)損失。還需要保護(hù)電池供電的設(shè)備。電池本身必須受到保護(hù)，因?yàn)樗窍到y(tǒng)中相當(dāng)昂貴的部分，如果出現(xiàn)故障，可能會很麻煩或難以更換。Li+電池的機(jī)械，電氣和化學(xué)設(shè)計和制造是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，其安全問題已得到理解。在最近Li+電池故障成為世界媒體頭條的案例中，化學(xué)成分的污染似乎是故障的根本原因。

由于一些安全問題，電池供應(yīng)商不會向消費(fèi)者甚至大多數(shù)原始設(shè)備制造商（電池組制造商除外）出售單節(jié)Li+電池。相反，電池供應(yīng)商提供多節(jié)電池組作為OEM或消費(fèi)產(chǎn)品。這些電池組將Li+電池與復(fù)雜的保護(hù)電子設(shè)備集成在一起。不建議在沒有電池組式保護(hù)的情況下串聯(lián)或并聯(lián)組合為單個隨機(jī)選擇的電池充電。

市售Li+電池的特性

表1和表2總結(jié)了可用于大眾消費(fèi)應(yīng)用的Li+電池系列的重要特性。每個表中的第一個電池類型是18650間隙碳陰極，鋰鈷混合氧化物陽極，凝膠電解質(zhì)電池（直徑18mm，長65mm），是便攜式電子應(yīng)用中最受歡迎的類型之一。該裝置由索尼制造，此處用作代表性參考，以與下面的較新類型進(jìn)行比較。18650 電池的預(yù)期循環(huán)壽命至少為 500 次充電/放電循環(huán)。當(dāng)新的時，它保留了標(biāo)稱值的80%的容量（20%的容量衰減）。電池容量在0.5Ah和2Ah之間。?

最大充電和放電速率由相對于電池容量的最大充電和放電電流定義，以 C 單位表示。使用術(shù)語“速率”是因?yàn)殡娏魇请姾蓪r間的導(dǎo)數(shù)。使用速率代替直電流值允許在比較不同電池技術(shù)或同一技術(shù)的不同電池尺寸時按容量縮放規(guī)格。例如，承受1C放電速率的電池名義上將在一小時內(nèi)從充滿電到耗盡。

超過Li+電池的溫度限制會導(dǎo)致電池的電荷保持能力（容量）嚴(yán)重?fù)p失（衰減）。淡入淡出將隨著電池超出其指定溫度范圍的時間而增加。如果在這些條件下放電或充電，電池將受到更大的不利影響。

嚴(yán)重超過充電/放電速率將導(dǎo)致電池組中的電子串聯(lián)保護(hù)電路打開，由過電流（短期，高電流）或過熱傳感器（長期）觸發(fā)。其中一些安全措施可能會不可逆轉(zhuǎn)地禁用電池。不太嚴(yán)重的濫用會降低電池性能和預(yù)期壽命。

最大充電電壓是Li+電池的充電過程必須從恒流（CC）切換到恒壓（CV）的嚴(yán)格容差電壓點(diǎn)。該規(guī)格與溫度無關(guān)。最終充電對該電壓的微小變化非常敏感，如圖1所示。超過充電電壓限制會對電池的充電保持能力產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的不利影響。這兩個因素的結(jié)合對充電電壓限制施加了嚴(yán)格的容差。

圖1.索尼US18650G4 Li+電池的電池充電特性顯示了電池如何隨時間充電以及從恒流充電模式到恒壓充電模式的切換。資料來源：索尼公司

對于索尼類型的現(xiàn)代Li+電池（其他類型的電池見表1和表2），如果允許端子之間的電壓達(dá)到4.45V，電池壽命就會受到影響。

充電電壓限制（便攜式電子電池類型為 4.2V）是電池在全新電池時以標(biāo)稱容量的 100% 充電時充電的值。如果在充電過程中，CC-CV切換發(fā)生在低于標(biāo)稱充電電壓限值的電壓下，則充電電流將出現(xiàn)早期下降，而不是遵循圖1中的曲線。最終存儲的電荷將遠(yuǎn)低于標(biāo)稱容量的 100%。

違反截止放電最低電壓規(guī)格會產(chǎn)生不同的后果。如果允許電池放電低于該值，則會在容器內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)失衡。如果此時電池的電化學(xué)狀態(tài)受到干擾（即嘗試最大速率充電），則可能會觸發(fā)突然的異常化學(xué)反應(yīng)，從而殺死電池，完全失去充電保持能力。圍繞Li+電池作為電源開發(fā)的所有系統(tǒng)都必須包括防止過放電的UVLO（欠壓鎖定）開關(guān)，以及防止深度放電電池大電流充電的電路。

Li+電池充電方式

除了專門用于極小容量（幾mAh）Li+電池的電壓源/電阻方法外，CCCV（恒流，恒壓）是唯一普遍接受的Li+充電方法。將等于或低于最大充電速率的恒定電流施加到正在充電的電池上，直到達(dá)到最大充電電壓。此時，充電器工作模式轉(zhuǎn)為恒壓輸出，在滿足充電終止標(biāo)準(zhǔn)之前，電池端子上保持恒定電壓輸出。

有時與其他電池技術(shù)（如NiCd）一起使用的復(fù)雜脈沖充電方案都不會減少完全充電時間，增加電池壽命或Li+的庫侖效率。在大多數(shù)情況下，這些收費(fèi)計劃會產(chǎn)生有害影響。涓流充電，即迫使充電后長期小電流通過電池以使其保持在完全充電狀態(tài)的做法是不必要的，對于Li+電池也是不明智的。

圖 1 中的圖表還顯示了表 1 和表 2 中所述類型的索尼電池中充電過程中電流、電壓和存儲容量的行為。請注意從 CC 到 CV 的切換，以及電池在每個階段獲取的電荷比例。

正常充電終止發(fā)生在電池充滿電時。確定完全充電的一個流行標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，當(dāng)達(dá)到最大充電電壓（從而將充電模式更改為CV）時，并且當(dāng)充電電流的下降值（發(fā)生在更改為CV之后）低于電池最大充電速率的某個部分（通常為1/30至1/10）時，Li+電池充滿電。另一種終止方法使用超時，在充電器處于恒壓模式兩個小時后停止充電。有時也不會使用終止操作。在后一種技術(shù)中，電池?zé)o限期地以恒壓模式連接到充電器;它被稱為“浮動”，因?yàn)槿绻?jīng)過的時間足夠長，則沒有電流循環(huán)。存在一些與長期浮動相關(guān)的容量衰減，但在第一個充電周期中是可逆的。

當(dāng)充電過程中任何電池參數(shù)超出可接受范圍時，充電器或電池組保護(hù)方案可以執(zhí)行充電過程的“異常終止”。此外，如果在預(yù)編程的時間段內(nèi)未發(fā)生任何預(yù)期的狀態(tài)轉(zhuǎn)換（CC→CV或CV→終止），高端充電器將通過超時終止充電。

Li+電池充電器實(shí)現(xiàn)

Li+電池充電器有多種類型和技術(shù)，具體取決于特定電池類型的特性，電池組中的電池數(shù)量，可用能源的類型以及應(yīng)用的性質(zhì)。在所有情況下，充電器都是CCCV電源，僅在一個象限中運(yùn)行（充電器在任何情況下都不得從電池吸收電流，有源或無源等），具有高精度（優(yōu)于±1%）CV輸出。

充電器電源的效率決定了其尺寸（體積和電路板表面），而能源則影響電源拓?fù)?。不?a target="_blank">電源技術(shù)（開關(guān)、線性）之間的決策可以考慮散熱、尺寸、EMI 約束等需求。關(guān)鍵組件是充電控制器，在所有情況下都是集成電路，至少包括CCCV電源，精密基準(zhǔn)和狀態(tài)機(jī)。

更復(fù)雜的充電器包括多種功能。示例包括：“電池鑒定”，其中檢測到短路、開路、截止不足或正常狀態(tài);感應(yīng)電池溫度;“預(yù)認(rèn)證”功能，其中向電池施加小電流，直到超過無充電電壓水平;以及充電器所有狀態(tài)的超時。

設(shè)計示例

在這一點(diǎn)上，值得一看的是Li+充電器的一些實(shí)用設(shè)計示例，從非常簡單的低功耗單元到具有更多樣化功能的更完整的類型。所選擇的例子是“獨(dú)立”的。無需單獨(dú)的智能或主機(jī)控制來管理充電。

這些示例的共同特征是前面描述的CCCV充電算法，具有相同的精確CV部分，定義最大充電電壓，并對所有充電CC進(jìn)行中等精度控制。由于芯片供應(yīng)商保證CV精度，因此不需要外部高成本精密元件。在所有情況下，CC和CV功能都通過整個輸入電壓范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。

示例之間的差異包括：

電效率（所選IC中使用的技術(shù)和拓?fù)涠x它）

充電器可以設(shè)置處理的電池范圍（數(shù)量）

在CC功能中可以設(shè)置器件的最大電流

保護(hù)和自動化功能的數(shù)量和類型

輸入電壓范圍

這些充電器的電池數(shù)量和最大電流是設(shè)計變量，但在生產(chǎn)中是硬連線的。

線性充電器的物理尺寸更大，因?yàn)樗鼈兊男瘦^低會產(chǎn)生更多的熱量，因此需要散熱器來傳遞來自穩(wěn)壓器芯片的熱量。但是，電路比基于開關(guān)技術(shù)的充電器更簡單。盡管如此，開關(guān)模式充電器確實(shí)提供了更高的轉(zhuǎn)換效率，并且體積更小，因?yàn)樗鼈兩l(fā)的熱量更少。

基于MAX1508的簡單線性充電系統(tǒng)只需要幾個額外的元件（圖2）。它可以提供高達(dá)0.5A的電流來為單節(jié)電池充電。自適應(yīng)電源/溫度電路允許其使用寬范圍的輸入電壓和電源工作。對于多節(jié)電池充電，單開關(guān)“開關(guān)”型穩(wěn)壓器MAX1873可以處理4至10節(jié)電池，提供3A至<>A電流（圖<>）。該電路還提供為電池充電的電流的模擬電壓讀數(shù)。

圖2.MAX1508為獨(dú)立的恒流恒壓（CCCV）、熱穩(wěn)壓線性充電器，用于單節(jié)鋰離子（Li+）電池。

圖3.MAX1873為簡單的開關(guān)模式Li+充電器，集成輸入限流環(huán)路。

基于MAX1737的充電器提供更多的系統(tǒng)功能，可以從4節(jié)到1737節(jié)Li+電池充電（圖1737）。電源核心是高頻電源，使充電器尺寸非常小。MAX<>使用兩個外部電源開關(guān)（高邊電源開關(guān)和同步整流器）來提高效率，從而進(jìn)一步減少產(chǎn)生的熱量。該器件可以監(jiān)控電池溫度，具有所有功能的可調(diào)超時，并可以驅(qū)動提供循環(huán)點(diǎn)指示（完全充電、快速充電、故障）的 LED。MAX<>的輸出電流能力主要由所用外部開關(guān)的類型和外部電源決定。該控制器可以支持高C速率，即使對于更高的電池容量也是如此。

圖4.MAX1737為開關(guān)模式Li+電池充電器，可為0至8節(jié)電池充電。它提供穩(wěn)定的充電電流和穩(wěn)定的電壓，電池端子的總電壓誤差僅為 ±<>.<>%。

審核編輯：郭婷