正確選擇鋰電池充電系統(tǒng)

給鋰離子電池充電的推薦方法是，向電池提供一個±1%限壓的恒定電流，直到電池充滿電，然后停止充電。用來決定電池何時充滿電的方法包括：給總的充電時間定時、監(jiān)視充電電流或兼用這兩種方法。第一種方法采用限壓恒定電流，變化范圍從C/2到1C,持續(xù)2.5至3小時，使電池達(dá)到100%充電。也可以使用較低的充電電流，但是將需要更長時間。第二種方法與第一種方法類似，只是需要監(jiān)視充電電流。隨著電池的充電，電壓上升，這與采用第一種方法時完全相同。電池電壓達(dá)到編程限壓值（也稱為浮動電壓）時，充電電流開始下降。電流一開始下降時，電池約充電至容量的50%至60%.浮動電壓繼續(xù)提供，直到充電電流降至足夠低的水平（C/10至C/20），這時電池約充電至容量的92%至99%,充電周期終止。目前，要為標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池快速充電（不到1小時）至容量的100%,還沒有一種安全的方法。

有些鋰離子電池充電器允許使用熱敏電阻監(jiān)視電池溫度。這么做的主要目的是，如果電池溫度超出推薦的0℃至40℃窗口范圍，就禁止充電。與鎳鎘或鎳氫金屬電池不同，鋰離子電池在充電時溫度上升非常少。圖1是一個典型的鋰離子電池充電曲線，圖中顯示了充電電流、電池電壓和電池容量隨時間的變化。那么怎樣才能正確地為鋰離子電池充電呢？鋰離子電池最適合的充電過程可以分為四個階段：涓流充電、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。參考圖1.

階段1:涓流充電--涓流充電用來先對完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充（恢復(fù)性充電）。在電池電壓低于3V左右時，先采用最大0.1C的恒定電流對電池進(jìn)行充電。
階段2:恒流充電--當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。恒流充電時的電流并不要求十分精確，準(zhǔn)恒定電流也可以。在線性充電器設(shè)計中，電流經(jīng)常隨著電池電壓的上升而上升，以盡量減輕傳輸晶體管上的 散熱問題。大于1C的恒流充電并不會縮短整個充電周期時間，因此這種做法不可取。當(dāng)以更高電流充電時，由于電極反應(yīng)的過壓以及電池內(nèi)部阻抗上的電壓上升，電池電壓會更快速地上升。恒流充電階段會變短，但由于下面恒壓充電階段的時間會相應(yīng)增加，因此總的充電周期時間并不會縮短。
階段3:恒壓充電-- 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結(jié)束，開始恒壓充電階段。為使性能達(dá)到最佳，穩(wěn)壓容差應(yīng)當(dāng)優(yōu)于+1%.
階段4:充電終止--與鎳電池不同，并不建議對鋰離子電池連續(xù)涓流充電。連續(xù)涓流充電會導(dǎo)致金屬鋰出現(xiàn)極板電鍍效應(yīng)。這會使電池不穩(wěn)定，并且有可能導(dǎo)致突然的自動快速解體。

有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時器（或者兩者的結(jié)合）。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時，持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。

上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口（通常為0℃至45℃），那么充電會暫停。

1決定鋰離子電池周期壽命或服務(wù)壽命的因素

不存在任何延長或縮短電池壽命的單一因素，而常常是幾種因素合起來發(fā)揮作用。就延長周期壽命而言有以下方法可以延長電池壽命：

1).采用部分放電的做法。在再充電前僅使用20%或30%的電池容量會極大延長周期壽命。作為一個一般性的規(guī)則，5至10個淺放電周期等于1個滿放電周期。盡管部分放電周期可能達(dá)到數(shù)千次，但是保持電池處于滿充電狀態(tài)也縮短電池壽命。如果可能，應(yīng)該避免滿放電周期（降至2.5V或3V,取決于化學(xué)材料）。

2).避免充電至容量的100%.選擇一個較低的浮動電壓可以做到這一點。降低浮動電壓將提高周期壽命和服務(wù)壽命，代價是降低電池容量。浮動電壓降低100mV至300mV可以將周期壽命延長2至5倍或更長。與其他化學(xué)材料相比，鋰離子鈷化學(xué)材料對較高浮動電壓更敏感。磷酸鋰離子電池一般比更常見的鋰離子電池的浮動電壓低。

3). 選擇合適的充電終止方法。選擇一個采用最小充電電流終止（C/10或C/x）的充電器，通過不充電到容量的100%,也可以延長電池壽命。例如，電流降至C/5時結(jié)束充電周期與將浮動電壓降至4.1V的效果類似。在這兩種情況下，電池都只充電至約為容量的85%,這是決定電池壽命的一個重要因素。

4).限制電池溫度。限制電池的極限溫度可以延長電池壽命，尤其是禁止在0℃以下充電。在0℃以下充電促進(jìn)金屬在電池陽極上的鍍敷，這可能造成內(nèi)部短路，產(chǎn)生熱量并使電池不穩(wěn)定和不安全。很多電池充電器都有測量電池溫度的裝置，以確保不會在極限溫度時充電。

5).避免大的充電和放電電流，因為這會縮短周期壽命。有些化學(xué)材料更適合較大電流，如鋰離子錳和磷酸鋰離子電池。大電流給電池施加了過大的壓力。

6).避免低于2V或2.5V的深度放電，因為這會迅速永久性損壞鋰離子電池?？赡馨l(fā)生內(nèi)部金屬鍍敷，這會引起短路，使電池不可用或不安全。大多數(shù)鋰離子電池在電池組內(nèi)部都有電子電路，如果充電或放電時電池電壓低于2.5V、超過4.3V或如果電池電流超過預(yù)定門限值，該電子電路就會斷開電池連接。

2 鋰離子充電--系統(tǒng)注意事項

要快速可靠地完成充電過程需要一個高性能的充電系統(tǒng)。為實現(xiàn)可靠且經(jīng)濟高效的解決方案，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮到以下系統(tǒng)參數(shù)：

2.1 輸入源
許多應(yīng)用都采用極廉價的墻式適配器作為輸入電源。其輸出電壓主要依賴于交流輸入電壓和從墻式適配器流出的負(fù)載電流。

在美國標(biāo)準(zhǔn)的墻面插座上交流母線輸入電壓的變化范圍一般為90VRMS至132VRMS.假設(shè)額定輸入電壓為120VRMS,容差為+10%, ?25%.充電器必須為電池提供適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓措施，從而不受輸入電壓的影響。充電器的輸入電壓與交流母線電壓和充電電流成比例：

VO=2VIN×a-1O（REQ+RPTC）-2×VFD

REQ是次級繞組的電阻與初級繞組反射電阻的和。RPTC是PTC的電阻，VFD是橋式整流器的前向壓降。此外變壓器磁芯損失也會使輸出電壓略有降低。

利用汽車適配器充電的應(yīng)用也會遇到類似的問題。汽車適配器的輸出電壓典型范圍為9V至18V.

2.2 恒流充電的速率和精度
特定應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇可能要由充電電流來決定。出于尺寸和成本方面的考慮，低檔和中檔的快速充電應(yīng)用則傾向于采用線性解決方案，然 而線性解決方案會以熱的形式損失更多能耗。對于線性充電系統(tǒng)來說，恒流充電的容差變得極為重要。如果穩(wěn)壓容差太大，傳輸晶體管和其他元器件都需要更大體 積，從而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充電電流過小，整個充電周期將會延長。

2.3 輸出電壓的穩(wěn)定精度
為了盡可能地充分利用電池容量，輸出電壓穩(wěn)壓精度非常關(guān)鍵。輸出電壓精度的小幅度下降也會導(dǎo)致電池容量的大幅減少。然而出于安全和可靠性方面的考慮，輸出電壓也不能隨意設(shè)置得過高。圖2顯示出了輸出電壓穩(wěn)定精度的重要性。

3 充電終止方法

毋庸置疑，過充始終是鋰離子電池充電的心頭大患。準(zhǔn)確的充電終止方法對于安全可靠的充電系統(tǒng)來說非常關(guān)鍵。

3.1 電池溫度監(jiān)控
一般情況下，鋰離子電池充電時的溫度范圍應(yīng)當(dāng)在0℃至45℃。在此溫度范圍之外對電池充電會導(dǎo)致電池過熱。在充電周期中，電池內(nèi)的壓力上升還會 導(dǎo)致電池膨脹。隨著溫度上升，壓力也會過大，這可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部的機械破裂或材料泄漏，嚴(yán)重時還有可能導(dǎo)致爆炸。在此溫度范圍之外 對電池充電還會損害電池的性能，或縮短電池的預(yù)期壽命。

通常鋰離子電池包內(nèi)都采用了熱敏電阻來準(zhǔn)確測量電池溫度。充電器檢測熱敏電阻的阻值，當(dāng)阻值超出規(guī)定工作范圍，即溫度超過規(guī)定范圍時，充電被禁止。

3.2 電池放電電流或反向泄漏電流
在許多應(yīng)用中，即使輸入電源不存在，充電系統(tǒng)仍然與電池相連。充電系統(tǒng)必須保證輸入電源不存在時，從電池汲取的電流極小。最大泄漏電流應(yīng)當(dāng)小于幾個微安，通常應(yīng)小于一個微安。

4 鋰離子充電--應(yīng)用實例

將以上幾點系統(tǒng)注意事項事先充分考慮，就能開發(fā)出適合的充電管理系統(tǒng)。

4.1 線性解決方案
當(dāng)存在穩(wěn)壓良好的輸入電源時，通常采用線性充電解決方案。在此類應(yīng)用中，線性解決方案的優(yōu)點包括易用、尺寸小以及成本低。由于線性充電解決方案 效率低因此影響設(shè)計的最重要因素就是散熱設(shè)計。最糟的情況是器件從涓流充電階段向 恒流充電階段轉(zhuǎn)換時，在此情況下，傳輸晶體管必須散發(fā)最大的熱能，必須在充電電流、系統(tǒng)尺寸、成本和散熱要求之間進(jìn)行權(quán)衡。

例如，應(yīng)用中需要利用一個5V ±5%的輸入電源以0.5C或1C的恒定電流對一個1000mAh的單節(jié)鋰離子電池充電。圖3顯示了如何利用Microchip的 MCP73843構(gòu)成一個低成本的獨立解決方案，只需要極少量的外部元器件，就可以實現(xiàn)所需要的充電算法。MCP73843完美地結(jié)合了高精度恒流充電、 恒壓穩(wěn)壓以及自動充電終止等功能。

為進(jìn)一步減小線性解決方案的尺寸、降低其成本和復(fù)雜性，許多外部元器件都可以集成到充電管理控制器中。先進(jìn)的封裝可以提供更高的集成度，當(dāng)然也會犧牲一定的靈活性。此外此類充電管理控制器 還會實現(xiàn)一定的熱調(diào)節(jié)功能。熱調(diào)節(jié)功能可根據(jù)器件管芯溫度來限制充電電流，從而可在保證器件可靠性的情況下優(yōu)化充電周期時間，熱調(diào)節(jié)功能大大降低了散熱設(shè) 計的工作量。

基于Microchip MCP73861的全集成線性解決方案如圖4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外還包括電流檢測、傳輸晶體管、反向放電保護(hù)以及電池溫度監(jiān)測。

4.2 充電周期波形
利用MCP73843在1C和0.5C恒流充電速率下的整個充電周期如圖5.以0.5C而不是1C速率充電時，充電結(jié)束的時間大約晚了一個小時。充電終止電流從0.07C降到0.035C,使得最終電池容量從~98%增長到~100%.系統(tǒng)設(shè)計師必須在充電時間、功率損耗和可用電池容量之間進(jìn)行權(quán)衡。

4.3 開關(guān)式充電解決方案
輸入電壓波動范圍寬或輸入輸出電壓差大的應(yīng)用通常采用開關(guān)式充電解決方案。例如應(yīng)用中需要利用汽車適配器以0.5C或1C的恒定電流對一個2200mAh的單節(jié)鋰離子電池充電，由于散熱等問題，利用線性解決方案實現(xiàn)極為困難，當(dāng)然也可以采用支持熱調(diào)節(jié)的線性解決方案，但降低充電電流造成的充電周期延長是無法接受的。

成功設(shè)計開關(guān)式充電解決方案的第一步是選擇設(shè)計結(jié)構(gòu)：降壓式、升壓式、升/降壓式、反激式、單端初級電感式或者其他形式。SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是低端柵極驅(qū)動和電流檢測、持續(xù)輸 入電流以及輸入和輸出間的直流隔離，其主要缺點是需要兩個電感和一個能量傳輸電容。

MCP1630是一款可配合單片機使用的高速脈寬調(diào)制器，配合單片機，MCP1630可控制電源系統(tǒng)占空比，提供輸出電壓或電流穩(wěn)定 功能。PIC16F684單片機可用于輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流，以及開關(guān)頻率和最大占空比的調(diào)整。MCP1630產(chǎn)生占空比，并可根據(jù)不同外部輸入提供快速過流保 護(hù)。充電器采用的電源結(jié)構(gòu)是SEPIC.單片機提供了極大的設(shè)計靈活 性。此外單片機還可以與電池包內(nèi)的電池監(jiān)控器通信，從而大大縮短充電周期時間。

利用開關(guān)式充電解決方案的整個充電周期如圖6所示。通過在充電系統(tǒng)中采用電池監(jiān)控器，可以大大縮短充電周期，使用電池監(jiān)控器就不必再檢測電池包保護(hù)電路兩端的電壓以及充電電流的接觸電阻。

5 結(jié)論

在目前的便攜式產(chǎn)品中，要正確地實現(xiàn)電池充電需要仔細(xì)地設(shè)計考慮。本文討論了鋰離子電池的線性和開關(guān)式充電解決方案，本文所探討的指導(dǎo)原則和設(shè)計考慮要素，實際上也是所有電池充電系統(tǒng)設(shè)計都需要考慮的。