正确选择锂电池充电系统

正确选择锂电池充电系统 

  
 
关键字：锂离子电池 电池 池寿命
在有些应用中，较长的电池寿命、较多的充电次数或较安全的电池比电池容量更重要。本文介绍几种可以极大延长电池寿命的锂离子电池充电和放电方法。

几乎所有高性能便携式产品都会使用包括锂离子聚合物电池在内的可再充电锂离子电池，这是因为与其他可再充电电池相比，锂离子电池有较高的能量密度、较高的电池电压、自放电少、周期寿命非常长，而且环保，且充电和维护简单。另外，由于其具有相对高的电压（2.9V至4.2V），因此很多便携式产品都能用单节电池工作，从而简化了产品总体设计。C速率等于特定条件下的充电或放电电流，定义如下：I=M×Cn

其中：I = 充电或放电电流，单位为A；M = C的倍数或分数；C = 额定容量的数值，单位为Ah；N = 小时数（对应于C）。

以1倍C速率放电的电池将在一个小时内释放标称的额定容量。例如，如果标称容量是1000mAhr,那么1C的放电速率对应于1000mA的放电电流，C/10的速率对应100mA的放电电流。

通常生产商标定的电池容量都是指n=5时，即5小时放电的容量。例如，上述电池在200mA恒流放电时能够提供5小时的工作时间。理论上该电池在1000mA恒流放电时能够提供1小时的工作时间。然而实际上由于大电池放电时效能降低，此时的工作时间将小于1小时。
 

给锂离子电池充电的推荐方法是，向电池提供一个±1%限压的恒定电流，直到电池充满电，然后停止充电。用来决定电池何时充满电的方法包括：给总的充电时间定时、监视充电电流或兼用这两种方法。第一种方法采用限压恒定电流，变化范围从C/2到1C,持续2.5至3小时，使电池达到100%充电。也可以使用较低的充电电流，但是将需要更长时间。第二种方法与第一种方法类似，只是需要监视充电电流。随着电池的充电，电压上升，这与采用第一种方法时完全相同。电池电压达到编程限压值（也称为浮动电压）时，充电电流开始下降。电流一开始下降时，电池约充电至容量的50%至60%.浮动电压继续提供，直到充电电流降至足够低的水平（C/10至C/20），这时电池约充电至容量的92%至99%,充电周期终止。目前，要为标准锂离子电池快速充电（不到1小时）至容量的100%,还没有一种安全的方法。

有些锂离子电池充电器允许使用热敏电阻监视电池温度。这么做的主要目的是，如果电池温度超出推荐的0℃至40℃窗口范围，就禁止充电。与镍镉或镍氢金属电池不同，锂离子电池在充电时温度上升非常少。图1是一个典型的锂离子电池充电曲线，图中显示了充电电流、电池电压和电池容量随时间的变化。那么怎样才能正确地为锂离子电池充电呢？锂离子电池最适合的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止。参考图1.

 

阶段1:涓流充电--涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充（恢复性充电）。在电池电压低于3V左右时，先采用最大0.1C的恒定电流对电池进行充电。
阶段2:恒流充电--当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。恒流充电时的电流并不要求十分精确，准恒定电流也可以。在线性充电器设计中，电流经常随着电池电压的上升而上升，以尽量减轻传输晶体管上的 散热问题。大于1C的恒流充电并不会缩短整个充电周期时间，因此这种做法不可取。当以更高电流充电时，由于电极反应的过压以及电池内部阻抗上的电压上升，电池电压会更快速地上升。恒流充电阶段会变短，但由于下面恒压充电阶段的时间会相应增加，因此总的充电周期时间并不会缩短。
阶段3:恒压充电-- 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。为使性能达到最佳，稳压容差应当优于+1%.
阶段4:充电终止--与镍电池不同，并不建议对锂离子电池连续涓流充电。连续涓流充电会导致金属锂出现极板电镀效应。这会使电池不稳定，并且有可能导致突然的自动快速解体。

有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器（或者两者的结合）。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口（通常为0℃至45℃），那么充电会暂停。

1 决定锂离子电池周期寿命或服务寿命的因素

不存在任何延长或缩短电池寿命的单一因素，而常常是几种因素合起来发挥作用。就延长周期寿命而言有以下方法可以延长电池寿命：

1).采用部分放电的做法。在再充电前仅使用20%或30%的电池容量会极大延长周期寿命。作为一个一般性的规则，5至10个浅放电周期等于1个满放电周期。尽管部分放电周期可能达到数千次，但是保持电池处于满充电状态也缩短电池寿命。如果可能，应该避免满放电周期（降至2.5V或3V,取决于化学材料）。

2).避免充电至容量的100%.选择一个较低的浮动电压可以做到这一点。降低浮动电压将提高周期寿命和服务寿命，代价是降低电池容量。浮动电压降低100mV至300mV可以将周期寿命延长2至5倍或更长。与其他化学材料相比，锂离子钴化学材料对较高浮动电压更敏感。磷酸锂离子电池一般比更常见的锂离子电池的浮动电压低。

3). 选择合适的充电终止方法。选择一个采用最小充电电流终止（C/10或C/x）的充电器，通过不充电到容量的100%,也可以延长电池寿命。例如，电流降至C/5时结束充电周期与将浮动电压降至4.1V的效果类似。在这两种情况下，电池都只充电至约为容量的85%,这是决定电池寿命的一个重要因素。

4).限制电池温度。限制电池的极限温度可以延长电池寿命，尤其是禁止在0℃以下充电。在0℃以下充电促进金属在电池阳极上的镀敷，这可能造成内部短路，产生热量并使电池不稳定和不安全。很多电池充电器都有测量电池温度的装置，以确保不会在极限温度时充电。

5).避免大的充电和放电电流，因为这会缩短周期寿命。有些化学材料更适合较大电流，如锂离子锰和磷酸锂离子电池。大电流给电池施加了过大的压力。

6).避免低于2V或2.5V的深度放电，因为这会迅速永久性损坏锂离子电池。可能发生内部金属镀敷，这会引起短路，使电池不可用或不安全。大多数锂离子电池在电池组内部都有电子电路，如果充电或放电时电池电压低于2.5V、超过4.3V或如果电池电流超过预定门限值，该电子电路就会断开电池连接。

2 锂离子充电--系统注意事项

要快速可靠地完成充电过程需要一个高性能的充电系统。为实现可靠且经济高效的解决方案，设计时应当考虑到以下系统参数：

2.1 输入源
许多应用都采用极廉价的墙式适配器作为输入电源。其输出电压主要依赖于交流输入电压和从墙式适配器流出的负载电流。

在美国标准的墙面插座上交流母线输入电压的变化范围一般为90VRMS至132VRMS.假设额定输入电压为120VRMS,容差为+10%, ?25%.充电器必须为电池提供适当的稳压措施，从而不受输入电压的影响。充电器的输入电压与交流母线电压和充电电流成比例：
 
VO=2VIN×a-1O（REQ+RPTC）-2×VFD
REQ是次级绕组的电阻与初级绕组反射电阻的和。RPTC是PTC的电阻，VFD是桥式整流器的前向压降。此外变压器磁芯损失也会使输出电压略有降低。

利用汽车适配器充电的应用也会遇到类似的问题。汽车适配器的输出电压典型范围为9V至18V.

2.2 恒流充电的速率和精度
特定应用的拓扑结构选择可能要由充电电流来决定。出于尺寸和成本方面的考虑，低档和中档的快速充电应用则倾向于采用线性解决方案，然 而线性解决方案会以热的形式损失更多能耗。对于线性充电系统来说，恒流充电的容差变得极为重要。如果稳压容差太大，传输晶体管和其他元器件都需要更大体 积，从而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充电电流过小，整个充电周期将会延长。
2.3 输出电压的稳定精度
为了尽可能地充分利用电池容量，输出电压稳压精度非常关键。输出电压精度的小幅度下降也会导致电池容量的大幅减少。然而出于安全和可靠性方面的考虑，输出电压也不能随意设置得过高。图2显示出了输出电压稳定精度的重要性。

3 充电终止方法

毋庸置疑，过充始终是锂离子电池充电的心头大患。准确的充电终止方法对于安全可靠的充电系统来说非常关键。

3.1 电池温度监控
一般情况下，锂离子电池充电时的温度范围应当在0℃至45℃。在此温度范围之外对电池充电会导致电池过热。在充电周期中，电池内的压力上升还会 导致电池膨胀。随着温度上升，压力也会过大，这可能会导致电池内部的机械破裂或材料泄漏，严重时还有可能导致爆炸。在此温度范围之外 对电池充电还会损害电池的性能，或缩短电池的预期寿命。

通常锂离子电池包内都采用了热敏电阻来准确测量电池温度。充电器检测热敏电阻的阻值，当阻值超出规定工作范围，即温度超过规定范围时，充电被禁止。

3.2 电池放电电流或反向泄漏电流
在许多应用中，即使输入电源不存在，充电系统仍然与电池相连。充电系统必须保证输入电源不存在时，从电池汲取的电流极小。最大泄漏电流应当小于几个微安，通常应小于一个微安。

4 锂离子充电--应用实例

将以上几点系统注意事项事先充分考虑，就能开发出适合的充电管理系统。

4.1 线性解决方案
当存在稳压良好的输入电源时，通常采用线性充电解决方案。在此类应用中，线性解决方案的优点包括易用、尺寸小以及成本低。由于线性充电解决方案 效率低因此影响设计的最重要因素就是散热设计。最糟的情况是器件从涓流充电阶段向 恒流充电阶段转换时，在此情况下，传输晶体管必须散发最大的热能，必须在充电电流、系统尺寸、成本和散热要求之间进行权衡。

例如，应用中需要利用一个5V ±5%的输入电源以0.5C或1C的恒定电流对一个1000mAh的单节锂离子电池充电。图3显示了如何利用Microchip的 MCP73843构成一个低成本的独立解决方案，只需要极少量的外部元器件，就可以实现所需要的充电算法。MCP73843完美地结合了高精度恒流充电、 恒压稳压以及自动充电终止等功能。

 

为进一步减小线性解决方案的尺寸、降低其成本和复杂性，许多外部元器件都可以集成到充电管理控制器中。先进的封装可以提供更高的集成度，当然也会牺牲一定的灵活性。此外此类充电管理控制器 还会实现一定的热调节功能。热调节功能可根据器件管芯温度来限制充电电流，从而可在保证器件可靠性的情况下优化充电周期时间，热调节功能大大降低了散热设 计的工作量。

基于Microchip MCP73861的全集成线性解决方案如图4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外还包括电流检测、传输晶体管、反向放电保护以及电池温度监测。

 

4.2 充电周期波形
利用MCP73843在1C和0.5C恒流充电速率下的整个充电周期如图5.以0.5C而不是1C速率充电时，充电结束的时间大约晚了一个小时。充电终止电流从0.07C降到0.035C,使得最终电池容量从~98%增长到~100%.系统设计师必须在充电时间、功率损耗和可用电池容量之间进行权衡。

4.3 开关式充电解决方案
输入电压波动范围宽或输入输出电压差大的应用通常采用开关式充电解决方案。例如应用中需要利用汽车适配器以0.5C或1C的恒定电流对一个2200mAh的单节锂离子电池充电，由于散热等问题，利用线性解决方案实现极为困难，当然也可以采用支持热调节的线性解决方案，但降低充电电流造成的充电周期延长是无法接受的。

成功设计开关式充电解决方案的第一步是选择设计结构：降压式、升压式、升/降压式、反激式、单端初级电感式或者其他形式。SEPIC拓扑结构的优点是低端栅极驱动和电流检测、持续输 入电流以及输入和输出间的直流隔离，其主要缺点是需要两个电感和一个能量传输电容。

MCP1630是一款可配合单片机使用的高速脉宽调制器，配合单片机，MCP1630可控制电源系统占空比，提供输出电压或电流稳定 功能。PIC16F684单片机可用于输出稳压或稳流，以及开关频率和最大占空比的调整。MCP1630产生占空比，并可根据不同外部输入提供快速过流保 护。充电器采用的电源结构是SEPIC.单片机提供了极大的设计灵活 性。此外单片机还可以与电池包内的电池监控器通信，从而大大缩短充电周期时间。

利用开关式充电解决方案的整个充电周期如图6所示。通过在充电系统中采用电池监控器，可以大大缩短充电周期，使用电池监控器就不必再检测电池包保护电路两端的电压以及充电电流的接触电阻。

5 结论

在目前的便携式产品中，要正确地实现电池充电需要仔细地设计考虑。本文讨论了锂离子电池的线性和开关式充电解决方案，本文所探讨的指导原则和设计考虑要素，实际上也是所有电池充电系统设计都需要考虑的。