基于锂离子的电池和充电器设计研究

前言

便携式电子产品皆以电池作为电源。随着便携式产品的迅速发展，各种电池的用量大增，并且开发出许多新型电池。除大家较熟悉的碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外，还有近年来成为主流的锂离子电池。这里会介绍有关锂离子电池的相关知识，包括它的特性、主要参数、应用范围，最后并提供锂离子电池充电线路之设计参考。

锂离子电池发展与应用

锂离子电池是目前应用最为广泛的可再次充电式电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，可以单节电池使用于低功率应用，也可以将多节电池进行串并联组合得到更高电压与容量，用于电动工具与笔记型计算机。锂离子电池中的电解液可以是凝胶体、聚合物(锂离子/锂聚合物电池)、或凝胶体与聚合物的混合物。因为目前尚未发现能够在室温条件下有效运送锂离子的聚合物，所以大多数的锂离子/ 锂聚合物电池实际上是结合凝胶体和聚合物的混合型电池。

锂离子电池有别于一般的化学电池，其充放电工作过程是通过电池正负极中锂离子的嵌入和脱嵌来实现的，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液移动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又移动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在充放电过程中，锂离子处于从正极到负极到正极的循环运动状态。由于锂离子电池中使用的是离子状态的锂而非金属锂，危险性低，安全性高。

电池特性

电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时，电池非静电力(化学力)所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作单位。

在电池反应中，每公斤反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。所谓比能量指的是单位重量或单位体积中所储存的能量，以Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升(体积单位)。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行，同时电池内阻也会引起电压降。另一方面，电流流过电池的截面积越大，其内阻越小。锂离子电池的最大特点是比能量高，现今的锂离子电池技术可达到比能量为80~120 wh/kg，而传统铅酸电池的比能量仅为30~40 wh/kg，因此锂离子电池可以以较小体积储存更高能量，有助于讲求轻薄短小的行动电子装置与要求高续航力的电动车应用。

以下亦列出锂离子电池的几项特点：高容量：锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的20-30%，镍氢的35-50%。

●高电压 ：一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(标称值)，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。

●高稳定：由于不含金属锂，危险性低，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带规定的限制。

●长寿命：可充电锂离子电池充电全满时、电压约为4.2伏特，放电时电压会下降、但不宜低于约2.5伏特，保存电压或出厂电压约为3.6至3.7 伏特。使用寿命主要关键为充电次数，优良的可充电锂离子电池约有500次以上的寿命(由2.5伏特充电至4.2伏特算一次)，且锂离子电池不存在**效应。

●快速充电：使用额定电压为4.2V的定电压/定电流充电器，可以使锂离子电池在1~2.5个小时内就充满电。但须注意如果充电电压超过4.3伏特以上，有爆炸的危险。电池电压低于2.0伏特，则锂离子电池损毁，无法再使用或充电。

电池充电方式

由以上可以知道，锂离子电池虽然具有高容量与长寿命的优势，但是在充放电方面则需特别注意，因此所有可充电锂离子电池都需要配置其“充放电管理 IC”，用以限制充电及放电电压，以确保不超过安全电压致电池爆炸，当电池电压低于2.5V切断输出，避免电池寿命缩短。除少数标准品之外，多数锂离子电池体积外型各异，以实际应用为主，容量规格也不尽相同，因此充电电流由各制造厂商自行设计规范。依据电流大小而有所谓快充或慢充模式；然大电流的充电模式通常有损使用寿命。虽然电池组中已包含有充电管理IC，但此仅作为电池爆炸或防止燃烧的最低保护措施，而非正常的使用方式，为充分达到电池的寿命与效率，充电器的设计仍需离此一上下限甚远。

除了过放电之外，锂离子电池也不适合用作大电流放电，大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池制造商规范该产品最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。锂离子电池对充电品质的要求很高，需要精密的充电电路以保证充电的安全，尤其要求终止充电电压精度在额定值的 1%之内(例如:充4.2V的锂离子电池，其允差为±0.042V)过压充电可能对锂离子电池造成永久性损坏，严重者导致电池爆炸；锂离子电池的充电电流应根据电池制造厂的规范选用。虽然某些电池充电电流标称可达2C(C是电池的容量，标示如1000mAh，1C充电率即充电电流为1A)，但高充电电流会降低电池寿命，因此一般常用的充电率为0.25C～1C。因充电过程的电化学反应会产生热，有一定的能量损失；另外锂离子电池充电并非全部采用定电流充电，还有定电压模式充电，所以实际充电时间约为2.5小时左右；锂离子电池充电的温度在0℃~ 60℃范围。如果充电电流过大会产生温度过高，不仅会损坏电池并可能引起爆炸。因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时能停止充电以保证安全。另外，充电器电路中有设定的限流电阻，保证充电电流不超过设定的限制电流。

目前锂离子电池的充电器常采用三段充电法，即预充电模式(Pre-Charging Mode)、定电流充电(Fast Charging Mode)、定电压充电模式(Constant Voltage Mode)。锂离子电池终止放电电压为2.5V。设计完善的充电器可对过放的电池进行挽救修复，即在正式充电前进行预处理。于充电前先检测电池的电压：若电池电压大于 3V，则按正常方式充电；若电池电压低于3V，则以小电流(约为10%的定电流模式充电电流)充电称之为预充电模式，让处于深度放电状态下而溶解的钝化膜进行还原。此外，当电池过度放电时，还可能释出部分铜金属在阳极造成短路，此时若以高电流进行强迫充电就会导致电池过热，而预充电阶段则能避免这种现象发生。等充到3V后再按正常定电流方式充电。

当电池电压大于3V，则按正常方式充电的充电特性如图1所示(以4.2V锂离子电池为例)。开始以设定的定电流模式充电，此时电池电压以较快的斜率上升，随着电池电力储存的增加，电池电压上升斜率会逐步降低，上升到接近 4.2V 时，定电流充电阶段结束。充电器改以 4.2V定电压充电，在定电压阶段充电时，电压几乎不变，但充电电流持续下降。当充电电流降到某一值时，激活定时器，经一段计数定时截止后，结束充电，完成充电程序。

图1：典型的锂离子电池充电曲线

定电压充电的输出稳压精确度对于电池容量最大化和延长电池使用寿命都很重要。当电池稳压低于4.2V，可能导致电池充电不足，虽不至于影响寿命，却使得电池蓄电量减少。例如充电不足程度只要达到总电压的 1%，就会让电池蓄电量减少8%。另一方面，电池稳压太高，则导致电池过度充电而缩短使用寿命，甚至造成使用者危险。为了确保锂离子电池的充电安全，开始充电时的环境温度，必须在0℃～45℃之间。在更低温度下进行充电会形成更多金属锂，会导致电池阻抗增加与电池劣化。在高温环境下进行充电，则会增加锂离子与电解液的反应而加速电池劣化。

一般而言，建议长时间不使用时，应将电池充至70 - 80%进行存放。这也是为防止长时间的自然放电后，锂离子电池电压低于2.0伏特，导致锂离子电池失效而不能使用。经常把锂离子电池电量耗尽的使用方式，比经常充放电的使用方式，其寿命至少缩短一半以上。

锂离子充电器设计范例

为满足低耗电可携式产品对于更精确、更安全的充电器应用需求，许多IC制造商发展出低成本线性充电器。图2是以通嘉科技的LD6275充电IC为设计范例，构成仅需少数外部零件的独立式线性充电器电路，其具备1.5A的最大充电电流。

图2：LD6275应用电路图

LD6275是一个高整合度的锂离子电池线性充电器IC，具备主动电源路径管理，在负载端电流进行加载/卸载的情况下，实时调整电池充电电流，有效监控管理输入电流(即USB埠的输出电流)，符合USB – IF所规范的浪涌电流限制和软激活功能的要求。此外，IC内整合有温度检测功能，如果IC温度超过设定值。会自动降低充电电流以保护芯片避免损坏。

LD6275将电源适配器/USB埠的5V直流电源进行降压稳流，对锂离子电池进行充电，为防止电源适配器的过电流超载，可以外部电阻 RCISET设定最大充电电流限制。同时支持计算机USB端口充电模式，并依据外部脚位EN1与EN2进行设定，各模式请见表1。透过为USB 500mA与USB 100mA操作模式设定，可以保护PC端USB埠避免过载。