- 新型多串鋰電池充電解決方案
- 充電4大問題討論
- 新型多串鋰離子電池充電芯OZ8981解決方案
鋰離子電池以高能量密度、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，在手機(jī)、筆記本電腦市場(chǎng)，它已經(jīng)完全取代其他電池，擁有100%的占有率；目前，鋰離子電池正迅速延伸入 電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、及其他的應(yīng)用中，它廣闊的市場(chǎng)前景也越來越得到業(yè)界的認(rèn)同。然而與鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池相比，要更快地推動(dòng)鋰離子電池的應(yīng)用和發(fā) 展，我們就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(zhǎng)電池使用壽命，同時(shí)降低充 電器的成本。
在使用電池的過程中，我們常會(huì)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，（1）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。（2）充電過壓，以過壓5.5V來看，鋰金屬析出，溶劑被氧化，溫度上 升，產(chǎn)生惡性循環(huán)，電池著火、爆炸。可見惡劣的充電方法會(huì)對(duì)電池特性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
因此，關(guān)于如何充電，我們共同來探討下面的幾個(gè)重要的問題：
（1）為什么需要預(yù)充功能？
電池工作電壓從2.5V(碳負(fù)極電池:3V)(電量:0%)到4.2V(電量:100%)。當(dāng)電壓小于2.5V時(shí)，放電終止。同時(shí)內(nèi)部保護(hù)電路的電流損耗 也降為最低(放電回路關(guān)閉)。當(dāng)然,實(shí)際應(yīng)用中，由于不同的內(nèi)部材質(zhì)以及更好的保護(hù)電池，放電終止電壓可在2.5V~3.0V范圍。當(dāng)電壓超過4.2V 時(shí)，充電回路終止，以保護(hù)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(rèn)為過放電狀態(tài)，放電回路終止，以保護(hù)電池安全。電池不用時(shí)，應(yīng)將電 池充電到保有20%的電量，再進(jìn)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(yán)格避免過充過放的現(xiàn)象。過放會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，此時(shí)如果直接進(jìn)入快速?zèng)_電模式(大電流)， 會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生損害，影響使用壽命，并可能因此帶來隱形危險(xiǎn)。先以小電流(C/10)充到2.5V或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(hù)板，在正常的情況下，發(fā)生過放的幾率會(huì)很小，但不加預(yù)充功能，在以下的情況還是可能帶來過放的隱患：
保護(hù)板失效；
長(zhǎng)時(shí)間放置(5%~10%/月)的自放電率；
因此小電流預(yù)充功能可有效解決過放電池的充電問題。
（2）充電電流是否越大越好？
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(huì)縮短充電時(shí)間，但也會(huì)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(jìn)行充電。
下面是一個(gè)4.2V/900mAH LiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線(參圖一)，我們可以看出大約500個(gè)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。
Charge Current v.s. Battery capacit
圖一.充電電流對(duì)電池容量的影響(Source: Journal of Power Sources)
作為高能量密度的電池，過充對(duì)鋰離子電池有著很大的危害，有可能會(huì)膨脹和漏液，往往也會(huì)發(fā)生爆炸，而且過充電容易造成電池里面的電解物質(zhì)加快的反應(yīng)而造成電池的使用壽命減短，因此準(zhǔn)確的恒壓充電值對(duì)鋰離子電池有著重要的意義。
為了更充分的充飽電，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，參圖二。
圖二.LiCoO2 化學(xué)特性 (Source: RWTH Aachen University)
圖三.充電電壓對(duì)電池容量的影響 (Source: Journal of Power Sources)
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, 有時(shí)1%的精度也不能滿足應(yīng)用的要求, 因此有時(shí)甚至要求精度達(dá)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(gè)關(guān)鍵。
目前對(duì)鋰電池充電電壓有這樣一個(gè)誤解，認(rèn)為有了電池保護(hù)板，在電壓精度上不必關(guān)心，這是不可取的。因?yàn)殡姵乇Ｗo(hù)板是用于對(duì)可能的意外事故進(jìn)行及時(shí)的保護(hù)， 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(hù)板的過壓保護(hù)參數(shù)是4.30V（有的可能會(huì)要4.4V),假如每次都過充， 以4.30V作為充電截止點(diǎn),電池容量也會(huì)很快衰減的。[page]
（4）為什么需要充電定時(shí)器？
曾有一充電器廠家跟我講，他們以前常碰到過來退貨的充電器用戶說充電器壞了，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。可廠家對(duì)充電 器實(shí)際測(cè)量時(shí)，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?yàn)檫@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(dá)不到充電完成的設(shè)置點(diǎn)，從而使得用戶產(chǎn)生誤判，認(rèn)為充電器已壞。
充電定時(shí)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(jìn)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(zhǎng)時(shí)間的充電，帶來電池過熱膨脹，甚至危險(xiǎn)。
針對(duì)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OZ8981已是一各完善的解決方案。OZ8981是一個(gè)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(hù)，并提供六階段充電控制模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便且成本低。它主要針對(duì)用于輕型電動(dòng)汽車，電動(dòng)自行車和電動(dòng)工具上多節(jié) 鋰離子電池包。
OZ8981具體包括了如下功能:
·單芯片集成充電控制器
·高效的誤差放大器輸出
·支持0V脈沖充電、預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電、截止充電、自動(dòng)再充電六階段智能充電控制
·支持對(duì)預(yù)充電的啟動(dòng)電壓、恒流充電值、恒壓充電值及截止充電電流值進(jìn)行靈活設(shè)置
·高精準(zhǔn)充電電壓(<1%)和電流(<5%)輸出；通過外部電阻調(diào)整，電壓輸出精度可<0.5%
·支持雙充電定時(shí)器保護(hù)--預(yù)充電定時(shí), 恒壓充電定時(shí)（最大: 5小時(shí), 或不使用)
·支持雙溫度保護(hù)--芯片內(nèi)部溫度保護(hù)(115℃), 外部過高溫保護(hù)(默認(rèn)：44℃)和過低溫保護(hù)(默認(rèn)：2℃)，外部溫度保護(hù)點(diǎn)可外部靈活設(shè)置
·支持充電過壓保護(hù), 過流保護(hù)，短路保護(hù)
·支持電池自動(dòng)接入檢測(cè)
·支持充電狀態(tài)的直接LED顯示
·高性價(jià)比, 高可靠性
·通用封裝：SOP16
OZ8981鋰離子電池充電曲線圖：
