多串鋰離子電池充電解決方案

鋰離子電池以能量密度高、體積小、重量輕等優(yōu)勢，在手機、筆記本電腦市場已經(jīng)完全取代其他電池，占有率幾乎達到了100%。目前，鋰離子電池正迅速延伸至電動工具及其他的應(yīng)用中，它廣闊的市場前景也越來越得到業(yè)界的認同。不過，與鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池相比，要更快地推動鋰離子電池的應(yīng)用和發(fā)展，還必須不斷提高它的安全性和使用壽命。本文將從充電器角度，討論一種新型的充電解決方案以提高鋰離子電池的安全性，延長電池使用壽命，同時降低充電器的成本。
　　在使用電池的過程中，我們常會聽到電池業(yè)者這樣的一句話：“電池使用中壞的少，更多的是被充壞的”。這句話我們可以理解為，不正確的充電條件或方法將更容易損害電池、降低電池的壽命。以18650鈷酸鋰離子電池為例，當(dāng)充電過溫，在70℃左右：電解質(zhì)界面(SEI)模開始分解并發(fā)熱；120℃左右：電解質(zhì)、正極開始熱分解，造成析氣并使溫度迅速上升；在到260℃左右：電池爆炸。或充電過壓，以過壓5.5V來看，容易使鋰金屬析出，溶劑被氧化，溫度上升，產(chǎn)生惡性循環(huán)，甚至電池著火、爆炸。因此，針對如何充電，我們共同來探討下面幾個重要的問題。
　　為什么需要預(yù)充功能？
　　電池工作電壓從2.5V(碳負極電池:3V，電量為0%)到4.2V(電量為100%)。當(dāng)電壓小于2.5V時，電池放電終止。同時因為放電回路關(guān)閉使內(nèi)部保護電路的電流損耗也降為最低。當(dāng)然，實際應(yīng)用中由于不同的內(nèi)部材質(zhì)，放電終止電壓可在2.5V-3.0V范圍。當(dāng)電壓超過4.2V時，充電回路終止，以保護電池安全；而當(dāng)單體電池工作電壓降到3.0V以下，我們即可認為過放電狀態(tài)，放電回路終止，以保護電池安全。所以電池不用時，應(yīng)將電池充電20%的電量，再進行防潮保存。
　　由于鋰離子電池具有較高的能量比，因此在電池使用中要嚴格避免過充，過放的現(xiàn)象。過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，此時如果直接進入快速沖電模式(大電流)，會對電池產(chǎn)生損害，影響使用壽命并可能因此帶來安全隱患。先以小電流(C/10)充到2.5V至3.0V，再轉(zhuǎn)換成快充是必要的。
　　雖然目前鋰離子電池在應(yīng)用中都帶有保護板，在通常的情況下，發(fā)生過放的幾率會很小，但不加預(yù)充功能，在這兩種情況下的情況還是可能帶來過放的隱患。一是保護板失效，二是長時間放置(5%-10%/月)的自放電率。因此小電流預(yù)充可以有效解決過放電池的充電問題。
　　但是，充電電流并非越大越好。以單體鋰離子電池為例，它的充電方式都包括恒流、恒壓充電過程，恒壓通常為4.2V(以LiCoO2電池為例)，恒流設(shè)置值為0.1C～1C。雖然大電流的充電會縮短充電時間，但也會造成電池生命周期的縮短和容量的降低，因此我們需選擇恰當(dāng)?shù)暮懔髦颠M行充電。
　　下面是一個4.2V/900mAH LiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線(圖1)，我們可以看出大約500個充放周期后，小電流充電的電池容量明顯大于大電流充電的電池容量。
 

　　恒壓充電時的電壓精度要求
　　作為高能量密度電池，過充會對鋰離子電池造成很大的危害，有可能會膨脹漏液甚至發(fā)生爆炸。而且過充容易造成電池里面的電解物質(zhì)加快反應(yīng)而造成電池的使用壽命減短，因此準確的恒壓值充電對鋰離子電池的使用壽命而言有著重要的意義。
　為了更充分地充滿電，要保證恒壓值和終止電壓值的精度在1%之內(nèi)。以鈷酸鋰離子電池為例，最好能盡可能接近4.2V，但又不超過4.2V，這種高精度的電壓充電法，可以減少鈷的溶解，穩(wěn)定LiCoO2的層狀結(jié)構(gòu)，使它的包覆不發(fā)生相變，提高循環(huán)性能，并保持高容量。此外，即使輕微的過壓也會帶來兩個現(xiàn)象的改變，電池初始容量減小和電池循環(huán)壽命降低。
 

　　在多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的情況下，為保證獲到最大的電池容量和壽命，因此有時甚至要求精度達到0.5%以內(nèi)。所以說，充電電壓的精度控制是鋰離子電池充電器的一個關(guān)鍵技術(shù)。
　　目前人們對鋰電池充電電壓有這樣一個誤解，認為有了電池保護板，在電壓精度上不必關(guān)心，這是不可取的。因為電池保護板目的是用于對可能的意外事故進行及時的保護，它考慮的比較多的是安全因素，而不是性能因素。比如以4.2V的電芯為例，保護板的過壓保護參數(shù)是4.30V(有的可能會要4.4V)，假如每次都過充，以4.30V作為充電截止點，電池容量也會很快衰減的。
　　為什么需要充電定時器
　　曾有一家充電器廠商表示，他們以前常碰到充電器用戶來退貨，說充電器壞了，原因是電池充了一天，電池都充不飽，充電器不轉(zhuǎn)燈，一直是紅燈?？蓮S家對充電器實際測量時，又發(fā)現(xiàn)它是正常的，符合出廠要求。這是什么問題呢？這主要是因為這充電器沒考慮到電池的老化后自放電變大。如果截止充電的電流設(shè)置過小，將使得老化的電池一直達不到充電完成的設(shè)置點，從而使得用戶產(chǎn)生誤判，認為充電器已壞。
　　充電定時器的作用就是防止已損害的或過多循環(huán)的鋰電池，在充電的截止段，由于自放電過大，使電池難以進入EOC的狀態(tài)(高于判斷電流)，一方面給用戶帶來電池充不飽的誤判，另一方面也可能由于過長時間的充電，帶來電池過熱發(fā)生膨脹，甚至危險。
　　針對這些因素考量，凹凸科技(O2Micro)推出的新型多串鋰離子電池充電芯片OZ8981已是一個完善的解決方案。OZ8981是一個專用的充電管理集成芯片，它帶精確電壓，電流輸出和多重保護，并提供六階段充電控制模式，系統(tǒng)設(shè)計方便且成本低。它主要針對用于輕型電動汽車，電動自行車和電動工具上多節(jié)鋰離子電池包。