鋰離子電池及其充電器設(shè)計方案分析

　前言
　　便攜式電子產(chǎn)品皆以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的迅速發(fā)展，各種電池的用量大增，并且開發(fā)出許多新型電池。除大家較熟悉的堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來成為主流的鋰離子電池。這里會介紹有關(guān)鋰離子電池的相關(guān)知識，包括它的特性、主要參數(shù)、應(yīng)用范圍，最后并提供鋰離子電池充電線路之設(shè)計參考。
　　鋰離子電池發(fā)展與應(yīng)用
　　鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的可再次充電式電池，它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，可以單節(jié)電池使用于低功率應(yīng)用，也可以將多節(jié)電池進行串并聯(lián)組合得到更高電壓與容量，用于電動工具與筆記型計算機。鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物（鋰離子/鋰聚合物電池）、或凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發(fā)現(xiàn)能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物，所以大多數(shù)的鋰離子/ 鋰聚合物電池實際上是結(jié)合凝膠體和聚合物的混合型電池。
　　鋰離子電池有別于一般的化學(xué)電池，其充放電工作過程是通過電池正負極中鋰離子的嵌入和脫嵌來實現(xiàn)的，當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液移動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又移動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在充放電過程中，鋰離子處于從正極到負極到正極的循環(huán)運動狀態(tài)。由于鋰離子電池中使用的是離子狀態(tài)的鋰而非金屬鋰，危險性低，安全性高。
　　電池特性
　　電池的性能參數(shù)主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內(nèi)部移到正極時，電池非靜電力（化學(xué)力）所做的功。電動勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。
　　在電池反應(yīng)中，每公斤反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱為電池的理論比能量。所謂比能量指的是單位重量或單位體積中所儲存的能量，以Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時；kg是千克（重量單位），L是升（體積單位）。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應(yīng)物并不全按電池反應(yīng)進行，同時電池內(nèi)阻也會引起電壓降。另一方面，電流流過電池的截面積越大，其內(nèi)阻越小。鋰離子電池的最大特點是比能量高，現(xiàn)今的鋰離子電池技術(shù)可達到比能量為80~120 wh/kg，而傳統(tǒng)鉛酸電池的比能量僅為30~40 wh/kg，因此鋰離子電池可以以較小體積儲存更高能量，有助于講求輕薄短小的行動電子裝置與要求高續(xù)航力的電動車應(yīng)用。
　　以下亦列出鋰離子電池的幾項特點：高容量：鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。
　　●高電壓 ：一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V（標稱值），相當于三個串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。
　　●高穩(wěn)定：由于不含金屬鋰，危險性低，因而不受飛機運輸關(guān)于禁止在客機攜帶規(guī)定的限制。
　　●長壽命：可充電鋰離子電池充電全滿時、電壓約為4.2伏特，放電時電壓會下降、但不宜低于約2.5伏特，保存電壓或出廠電壓約為3.6至3.7 伏特。使用壽命主要關(guān)鍵為充電次數(shù)，優(yōu)良的可充電鋰離子電池約有500次以上的壽命（由2.5伏特充電至4.2伏特算一次），且鋰離子電池不存在記憶效應(yīng)。
　　●快速充電：使用額定電壓為4.2V的定電壓/定電流充電器，可以使鋰離子電池在1~2.5個小時內(nèi)就充滿電。但須注意如果充電電壓超過4.3伏特以上，有爆炸的危險。電池電壓低于2.0伏特，則鋰離子電池損毀，無法再使用或充電。
　　電池充電方式
　　由以上可以知道，鋰離子電池雖然具有高容量與長壽命的優(yōu)勢，但是在充放電方面則需特別注意，因此所有可充電鋰離子電池都需要配置其“充放電管理 IC”，用以限制充電及放電電壓，以確保不超過安全電壓致電池爆炸，當電池電壓低于2.5V切斷輸出，避免電池壽命縮短。除少數(shù)標準品之外，多數(shù)鋰離子電池體積外型各異，以實際應(yīng)用為主，容量規(guī)格也不盡相同，因此充電電流由各制造廠商自行設(shè)計規(guī)范。依據(jù)電流大小而有所謂快充或慢充模式；然大電流的充電模式通常有損使用壽命。雖然電池組中已包含有充電管理IC，但此僅作為電池爆炸或防止燃燒的最低保護措施，而非正常的使用方式，為充分達到電池的壽命與效率，充電器的設(shè)計仍需離此一上下限甚遠。
　　除了過放電之外，鋰離子電池也不適合用作大電流放電，大電流放電時會降低放電時間（內(nèi)部會產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量）。因此電池制造商規(guī)范該產(chǎn)品最大放電電流，在使用中應(yīng)小于最大放電電流。鋰離子電池對充電品質(zhì)的要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的 1%之內(nèi)（例如：充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V）過壓充電可能對鋰離子電池造成永久性損壞，嚴重者導(dǎo)致電池爆炸；鋰離子電池的充電電流應(yīng)根據(jù)電池制造廠的規(guī)范選用。雖然某些電池充電電流標稱可達2C（C是電池的容量，標示如1000mAh，1C充電率即充電電流為1A），但高充電電流會降低電池壽命，因此一般常用的充電率為0.25C～1C。因充電過程的電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生熱，有一定的能量損失；另外鋰離子電池充電并非全部采用定電流充電，還有定電壓模式充電，所以實際充電時間約為2.5小時左右；鋰離子電池充電的溫度在0℃~ 60℃范圍。如果充電電流過大會產(chǎn)生溫度過高，不僅會損壞電池并可能引起爆炸。因此在大電流充電時，需要對電池進行溫度檢測，并且在超過設(shè)定充電溫度時能停止充電以保證安全。另外，充電器電路中有設(shè)定的限流電阻，保證充電電流不超過設(shè)定的限制電流。
　　目前鋰離子電池的充電器常采用三段充電法，即預(yù)充電模式（Pre-Charging Mode）、定電流充電（Fast Charging Mode）、定電壓充電模式（Constant Voltage Mode）。鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。設(shè)計完善的充電器可對過放的電池進行挽救修復(fù)，即在正式充電前進行預(yù)處理。于充電前先檢測電池的電壓：若電池電壓大于 3V，則按正常方式充電；若電池電壓低于3V，則以小電流（約為10%的定電流模式充電電流）充電稱之為預(yù)充電模式，讓處于深度放電狀態(tài)下而溶解的鈍化膜進行還原。此外，當電池過度放電時，還可能釋出部分銅金屬在陽極造成短路，此時若以高電流進行強迫充電就會導(dǎo)致電池過熱，而預(yù)充電階段則能避免這種現(xiàn)象發(fā)生。等充到3V后再按正常定電流方式充電。
　　當電池電壓大于3V，則按正常方式充電的充電特性如圖1所示（以4.2V鋰離子電池為例）。開始以設(shè)定的定電流模式充電，此時電池電壓以較快的斜率上升，隨著電池電力儲存的增加，電池電壓上升斜率會逐步降低，上升到接近 4.2V 時，定電流充電階段結(jié)束。充電器改以 4.2V定電壓充電，在定電壓階段充電時，電壓幾乎不變，但充電電流持續(xù)下降。當充電電流降到某一值時，激活定時器，經(jīng)一段計數(shù)定時截止后，結(jié)束充電，完成充電程序。