一、电池的发展历史 电池的发展史由1836年丹尼尔电池的诞生到1859年铅酸电池的发明,至1883年发明了氧化银电池,1888年实 现了电池的商品化,1899年发明了镍-镉电池,1901年发明了镍-铁电池,进入20世纪后,电池理论和技术处于一度 停滞时期。但在第二次世界大战之后,电池技术又进入快速发展时期。首先是为了适应重负荷用途的需要,发展了 碱性锌锰电池,1951年实现了镍-镉电池的密封化。1958年Harris提出了采用有机电解液作为锂一次电池的电解质, 20世纪70年代初期便实现了军用和民用。随后基于环保考虑,研究重点转向蓄电池。镍-镉电池在20世纪初实现商 品化以后,在20世纪80年代得到迅速发展。 随着人们环保意识的日益增加,铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制,因此需要寻找新的可代替传统铅酸电 池和镍-镉电池的可充电电池。锂离子电池自然成为有力的候选者之一。1990年前后发明了锂离子电池。1991年锂 离子电池实现商品化。1995年发明了聚合物锂离子电池,(采用凝胶聚合物电解质为隔膜和电解质)1999年开始商 品化 。
二、锂离子电池的优缺点 1. 优点 a. 高能量密度 2. 缺点 a. 锂原电池均存在安全性差,有发生爆炸的危险高电压 b. 钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电,价格昂贵,安全性较差 c. 锂离子电池均需保护线路,防止电池被过充过放电 d. 生产要求条件高,成本高 e. 使用条件有限制,高低温使用危险大
三、锂电池的充电原理 锂离子电池的充电过程可以分为三个阶段:涓流充电(低压预充)、恒流充电、恒压充电。 锂电池的充电方式是限压恒流,都是由IC芯片控制的,典型的充电方式是:先检测待充电电池的电压,如果电 压低于3V,要先进行预充电,充电电流为设定电流的1/10,电压升到3V后,进入标准充电过程。标准充电过程为: 以设定电流进行恒流充电,电池电压升到4.20V时,改为恒压充电,保持充电电压为 4.20V。此时,充电电流逐渐下 降,当电流下降至设定充电电流的1/10时,充电结束。 下图为充电曲线:
下图为锂电池充电的三个阶段: 阶段1:涓流充电 涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例,则涓流充电电流为100mA)
阶段2:恒流充电 间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V.
阶段3:恒压充电 的继续充电电流由最大值慢慢减少,当减小到0.01C时,认为充电终止。(C是以电池标称容量对照电流的一种 表示方法,如电池是1000mAh的容量,1C就是充电电流1000mA。)
四、锂电池的快速充电技术 ► BC1.2规范颁布之前 在2007年第一个电池充电规范颁布之前,尝试为电池充电本质上是一种冒险——结果非常难以预测。当2000年 出现USB 2.0时,外设默认吸收100mA电流,除非明确协商将电流增大至最高500mA。如果总线上经过一段延迟后 没有数据活动,总线将进入“挂起”模式,将允许吸收电流限制到2.5mA。如果便携设备的电池完全耗尽,尝试利 用标准端口进行充电时,则只能可靠吸收2.5mA电流! 实际上,许多电子设备制造商并不严格遵守USB 2.0规范,在其提供的USB端口中不采用这些电流限值。有些 (大多数)USB端口无论枚举还是持续活动都允许100mA电流;有些端口甚至提供500mA电流,而不考虑必要的功 率协商。有些便携设备的应用要求超过100mA的电流,并错误假设USB端口总是能够提供500mA电流。
► BC1.2规范的推出 电池充电并不是USB的原始特性,因此,在BC1.2颁布之前,官方并未就为关断设备的电池充电做出任何规 定。通过建立清晰的USB端口供电能力沟通方法,BC1.2规范改进了其中许多问题。 BC1.2规范简要规定了三种不同类型的USB端口和两种关键对象。“充电”端口是可提供500mA以上电流的端 口;“下行”端口按照USB 2.0规范传输数据。BC1.2规范也确定了每个端口应如何向终端设备枚举,以及识别应用 端口类型的协议。 三种USB BC1.2端口类型为SDP、DCP和CDP 。 ► BC1.2的三种端口 ● 标准下行端口(SDP) 为较高功率时为500mA。 ● 专用充电端口(DCP) 较高充电能力的墙上充电器和车载充电器,无需枚举。 ● 充电下行端口(CDP)
► 充电过程剖析 从物理计算公式上来说,功率(P)=电压(U)x电流(I),在电池电量一定的情况,功率标志着充电速度,我们可以通 过下列三种方式来缩短充电时间。
1. 高电压恒定电流模式: 电过程中,如果增大电压,产生热能,所以充电时,充电器会发热,手机也会发热。而且这样功耗越大,对电 池损害也是越大的。
2. 低电压高电流模式: 个电路所分担的压力越小,在手机中也进行同样处理的话,这个每条电路所承受的压力也就越小。
3. 高电压高电流模式: 办法,但增大电压的同时会产生更多的热能,这样其中所消耗的能量也是越多,并且电压与电流不是无限制的 随意增大。
► VOOC闪充 1. 什么是VOOC闪充? VOOC闪充是OPPO独立自主研发的快速充电技术,并申请16项专利,将最快充电速度提升了4倍以上, 并有无懈可击的智能全端式五级防护,是全世界最快最安全的手机充电技术。 VOOC闪充在OPPO Find 7上率先使用。作为采用3000毫安电池的OPPO Find 7,采用VOOC闪充时,充 电5分钟即可打电话2个小时,30分钟手机电量可直接充到75%。 VOOC闪充需要定制的适配器和电池搭配下使用。OPPO定制了专门的适配器、电池、数据线、电路、接 口,并首次在适配器中加入MCU智能芯片;这也就让VOOC闪充使用的适配器成为首个可以升级的智能充电 器。在此基础上,OPPO深度研发了智能全端式五级防护技术。
2. VOOC闪充的实现原理 上面提到了缩短充电时间的三种方式,OPPO选择了第二种方式。通过提高充电电流来缩短电池的充电时 间。充电时,如果电流太大,会引起电池的发热量大幅增加。为了减小电池的发热量,OPPO将一块电池分成 了几个小块的充电单元,每个充电单元单独提供电流充电,因此实际上是通过分流充电实现大电流充电的。这 种方式在需要硬件上的支持,包括电池电芯、连接线和充电器的定制。 下面这张图对实现原理有很形象的描述:
OPPO向上游供应商定制了全套的IC器件。第一次使用MCU单片微型计算机来取代传统充电电路中的降 压电路。智能的MCU管理芯片可以自动识别当前充电设备是否支持VOOC闪充。如果支持,将会分段横流的 实现阶段性电流的输出;如果检测到不支持,会自动使用稳定充电电流实现慢速充电。 专门定制电路、电芯(8触点)、7Pin接口、数据线,配以智能MCU芯片的适配器,与手机连接后即可自动 调节电流电压,输出电流高达4.5A,充电速度足足提升4倍。Find 7轻装版标配闪充电池容量为2800毫安,官 方透露,充电5分钟就能打两小时电话,30分钟可直接飙到75%。
3. VOOC闪充的安全性和兼容性 DPM(十亿分之一)。 ● 兼容性 平台进行兼容。硬件接口定制的,连接线采用7pin,不同于mico USB接口的4pin,没有遵循BC1.2的规范。
► Quick Charge 2.0 1. 什么是Quick Charge2.0? 前面已经讨论过,目前市场上主流的移动设备充电是基于USB接口的一种通用标准(BC1.2)。5V电压, 电流上限是1.8A,那么我们能得到的最大功率就是5V * 1.8A = 9W,那么9W折算到充电电流来讲,最大极限 就是2A左右。显然,对大容量电池来说,这个充电效率是不够的。因为USB连接线有阻抗的原因,充电电流 不能被设置太大,因此想提高充电功率就只能提高充电电压了。 基于以上考虑,高通推出了在Quick Charge v2.0。该方案中,可以将电源适配器提到为5V、9V、12V三 种电压,通过提高电压的方式,让电源适配器能够提供更多的电量给到移动终端。
2. Quick Charge2.0的实现方式 在Quick Charge v2.0中,电源适配器5V输出到主板,主板上的充电电路得到5V电压,会对电池进行充 电,在USB D+、D-线上,会有一个BC1.2的握手,除此之外没有更多额外的控制引脚和接口,所有的控制还 是运行在USB的D+、D-信号线上的,并且它是兼容BC1.2的。 除此之外,在BC1.2的基础上,Quick Charge v2.0的电路会再判断一次,电源是否支持Quick Charge2.0。 如果电源支持,终端再请求电源适配器提供更高的电压。这一系列的握手,都是建立在BC1.2标准基础之上 的,所以v2.0也是充分向前兼容的。在终端主板端,也提供了片上和独立的switching charger方案供OEM厂商 选择。 3. Quick Charge2.0的充电优势
4. Quick Charge2.0的安全性和兼容性 现。通过芯片电路和接口保护,在安全级别上没有VOOC快速安全系数高。 ● 兼容性 会越来越多。支持Quick Charge v2.0的移动终端,使用普通的USB 5V电源适配器,也可以工作。支持不同 电压的v2.0的电源适配器,也可以给其他普通终端充电。采用Quick Charge技术的设备,向下的兼容性是没 有任何问题的;传统手机和电源适配器,也向下兼容Quick Charge的设备。 此外,Quick Charge2.0是兼容BC1.2规范的。 |
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