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锂离子电池充电电路设计

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。

前语

便携式电子产品皆以电池作为电源。跟着便携式产品的迅速开展,各种电池的用量大增,而且开宣布许多新式电池。除咱们较了解的碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外,还有近年来成为干流的锂离子电池。这里会介绍有关锂离子电池的相关常识,包括它的特性、首要参数、运用规模,最终并供给锂离子电池充电线路之规划参阅。

锂离子电池开展与运用

锂离子电池是现在运用最为广泛的可再次充电式电池,它依据不同的电子产品的要求能够做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式,能够单节电池运用于低功率运用,也能够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核算机。锂离子电池中的电解液能够是凝胶体、聚合物(锂离子/锂聚合物电池)、或凝胶体与聚合物的混合物。因为现在没有发现能够在室温条件下有用运送锂离子的聚合物,所以大大都的锂离子/ 锂聚合物电池实践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,其充放电作业进程是经过电池正负极中锂离子的嵌入和脱嵌来完结的,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,它有许多微孔,抵达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。相同,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。咱们一般所说的电池容量指的便是放电容量。在充放电进程中,锂离子处于从正极到负极到正极的循环运动状况。因为锂离子电池中运用的是离子状况的锂而非金属锂,风险性低,安全性高。

电池特性

电池的功能参数首要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极经过电池内部移到正极时,电池非静电力(化学力)所做的功。电动势取决于电极资料的化学性质,与电池的巨细无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量,一般用安培小时作单位。

在电池反响中,每公斤反响物质所发生的电能称为电池的理论比能量。所谓比能量指的是单位分量或单位体积中所贮存的能量,以Wh/kg或Wh/L来表明。Wh是能量的单位,W是瓦、h是小时;kg是千克(分量单位),L是升(体积单位)。电池的实践比能量要比理论比能量小。因为电池中的反响物并不全按电池反响进行,一起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色是比能量高,如今的锂离子电池技能可抵达比能量为80~120 wh/kg,而传统铅酸电池的比能量仅为30~40 wh/kg,因而锂离子电池能够以较小体积贮存更高能量,有助于讲究轻浮矮小的举动电子设备与要求高续航力的电动车运用。

以下亦列出锂离子电池的几项特色:高容量:锂离子电池的分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作业电压为3.7V(标称值),适当于三个串联的镍镉或镍氢电池。

●高安稳:因为不含金属锂,风险性低,因而不受飞机运送关于制止在客机带着规则的约束。

●长寿数: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。运用寿数首要要害为充电次数,优秀的可充电锂离子电池约有500次以上的寿数(由2.5伏特充电至4.2伏特算一次),且锂离子电池不存在回忆效应。

●快速充电:运用额外电压为4.2V的定电压/定电流充电器,能够使锂离子电池在1~2.5个小时内就充满电。但须留意假如充电电压超越4.3伏特以上,有爆破的风险。电池电压低于2.0伏特,则锂离子电池损毁,无法再运用或充电。

电池充电方法

由以上能够知道,锂离子电池尽管具有高容量与长寿数的优势,但是在充放电方面则需特别留意,因而一切可充电锂离子电池都需求装备其“充放电办理 IC”,用以约束充电及放电电压,以保证不超越安全电压致电池爆破,当电池电压低于2.5V堵截输出,防止电池寿数缩短。除少量规范品之外,大都锂离子电池体积外型各异,以实践运用为主,容量规范也不尽相同,因而充电电流由各制造厂商自行规划规范。依据电流巨细而有所谓快充或慢充形式;然大电流的充电形式一般有损运用寿数。尽管电池组中已包括有充电办理IC,但此仅作为电池爆破或防止焚烧的最低维护措施,而非正常的运用方法,为充沛抵达电池的寿数与功率,充电器的规划仍需离此一上下限甚远。

除了过放电之外,锂离子电池也不合适用作大电流放电,大电流放电时会下降放电时刻(内部会发生较高的温度而损耗能量)。因而电池制造商规范该产品最大放电电流,在运用中应小于最大放电电流。锂离子电池对充电质量的要求很高,需求精细的充电电路以保证充电的安全,特别要求中止充电电压精度在额外值的 1%之内(例如:充4.2V的锂离子电池,其允差为±0.042V)过压充电或许对锂离子电池构成永久性损坏,严重者导致电池爆破;锂离子电池的充电电流应依据电池制造厂的规范选用。尽管某些电池充电电流标称可达2C(C是电池的容量,标明如1000mAh,1C充电率即充电电流为1A),但高充电电流会下降电池寿数,因而一般常用的充电率为0.25C~1C。因充电进程的电化学反响会发生热,有必定的能量丢失;别的锂离子电池充电并非悉数选用定电流充电,还有定电压形式充电,所以实践充电时刻约为2.5小时左右;锂离子电池充电的温度在0℃~ 60℃规模。假如充电电流过大会发生温度过高,不只会损坏电池并或许引起爆破。因而在大电流充电时,需求对电池进行温度检测,而且在超越设定充电温度时能中止充电以保证安全。别的,充电器电路中有设定的限流电阻,保证充电电流不超越设定的约束电流。

现在锂离子电池的充电器常选用三段充电法,即预充电形式(Pre-Charging Mode)、定电流充电(Fast Charging Mode)、定电压充电形式(Constant Voltage Mode)。锂离子电池中止放电电压为2.5V。规划完善的充电器可对过放的电池进行抢救修正,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,则按正常方法充电;若电池电压低于3V,则以小电流(约为10%的定电流形式充电电流)充电称之为预充电形式,让处于深度放电状况下而溶解的钝化膜进行复原。此外,当电池过度放电时,还或许释出部分铜金属在阳极构成短路,此刻若以高电流进行逼迫充电就会导致电池过热,而预充电阶段则能防止这种现象发生。等充到3V后再按正常定电流方法充电。

当电池电压大于3V,则按正常方法充电的充电特性如图1所示(以4.2V锂离子电池为例)。开端以设定的定电流形式充电,此刻电池电压以较快的斜率上升,跟着电池电力贮存的添加,电池电压上升斜率会逐渐下降,上升到挨近 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,电压简直不变,但充电电流继续下降。当充电电流降到某一值时,激活守时器,经一段计数守时截止后,结束充电,完结充电程序。

图1:典型的锂离子电池充电曲线

定电压充电的输出稳压准确度关于电池容量最大化和延伸电池运用寿数都很重要。当电池稳压低于4.2V,或许导致电池充电缺乏,虽不至于影响寿数,却使得电池蓄电量削减。例如充电缺乏程度只需抵达总电压的 1%,就会让电池蓄电量削减8%。另一方面,电池稳压太高,则导致电池过度充电而缩短运用寿数,乃至构成运用者风险。为了保证锂离子电池的充电安全,开端充电时的环境温度,必须在0℃~45℃之间。在更低温度下进行充电会构成更多金属锂,会导致电池阻抗添加与电池劣化。在高温环境下进行充电,则会添加锂离子与电解液的反响而加快电池劣化。

一般来说,主张长时刻不运用时,应将电池充至70 – 80%进行寄存。这也是为防止长时刻的天然放电后,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运用。常常把锂离子电池电量耗尽的运用方法,比常常充放电的运用方法,其寿数至少缩短一半以上。

锂离子充电器规划典范

为满意低耗电可携式产品关于更准确、更安全的充电器运用需求,许多IC制造商开展出低成本线性充电器。图2是以通嘉科技的LD6275充电IC为规划典范,构成仅需少量外部零件的独立式线性充电器电路,其具有1.5A的最大充电电流。


图2:LD6275运用电路图

LD6275是一个高整合度的锂离子电池线性充电器IC,具有自动电源途径办理,在负载端电流进行加载/卸载的状况下,实时调整电池充电电流,有用监控办理输入电流(即USB埠的输出电流),契合USB – IF所规范的浪涌电流约束和软激活功用的要求。此外,IC内整合有温度检测功用,假如IC温度超越设定值。会自动下降充电电流以维护芯片防止损坏。

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,能够外部电阻 RCISET设定最大充电电流约束。一起支撑核算机USB端口充电形式,并依据外部脚位EN1与EN2进行设定,各形式请见表1。透过为USB 500mA与USB 100mA操作形式设定,能够维护PC端USB埠防止过载。

表1:充电形式设定

LD6275 具有适应性电源途径办理(Adaptable Power Path Management, APPM)功用,其为以供给体系端用电为主,对电池充电为辅,如图3所示;当体系用电超越输入电源的供给约束时,其电池亦能自动敞敞开电功用一起对体系端供给其所需之电能需求,如图4所示。

图3. APPM

图4. APPM

LD6275敞开两段的电池设定电压与充电电流的调整,可依据其需求动态调整,如为契合日本JEITA的规范要求依据电池之温度而调整充电器之设定,如下图5表明。

图5:TVSET, TISET调整

因为LD6275自身耗电极小,仅1~2mA,简直能够疏忽,因而IC自身发热功率Pd能够由下列公式核算:


Vin为输入电源电压,作业规模4.1V~6V.VBAT是电池电压,能够由0~4.2V,ICHG为设定充电电流,由外部电阻RCISET设定之。当电池电压低于3V时,会进入预充电形式,IC内部预设以ICHG的10%电流进行充电。

假定运用5.5V电源供给器对单颗1200mAh锂离子电池进行充电,在0.7℃快速充电电流时,且电池电压为3V的条件下,能够预估IC运作的最大耗电量为,1.762W的耗电最大值,此一功耗会使得热阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封装温度温升127℃,即使环境温度0℃时,也现已超越所答应的125℃硅芯片操作温度最大值。若设定充电电流为0.6A(0.5C),则可下降IC温升为90度,能够操作于35度的环境温度中,因而是较佳的设定电流。

由以上能够得知,快速充电稳流值和电源供给电压的操作规模,关于线性充电器适当重要。线性充电器的底子问题在于操作时芯片温度较高,使得规划时必须在充电电流和散热组织之间做取舍。但往往线性充电器的运用规模是需求轻浮要求的便携式产品,多运用导热性差的塑料外壳,亦不考虑金属散热片,最终产品规划者唯有下降充电电流并延伸充电时刻,来交换较低的操作温度。根据可携式产品运用者,期望能够在1~2小时中完结充电,因而线性充电器一般比较合适 1500mAh以下的低容量锂离子电池运用。若要运用于高输入/输出电压差或高容量电池的充电运用,此刻能够考虑运用同步交换式充电器。

图6所示为锂离子电池充电器的规范充电流程,首要充电IC侦测是否有输出短路或是过载的维护形式,若体系一切正常接着侦测电池初始电压是否抵达 3V以上,高于3V者就直接以快充形式进行高电流充电,若电池低于3V者,进入预充电形式,以快充的10%进行充电,唤醒电池并防止电池损坏。在预充电阶段,仍随时侦测电池电压,抵达3V后可随即切入快充形式。


图6:锂离子电池充电器的规范充电流程

在快充形式下,电池的电压以较高速度上升,升高至4.2V时,切换至4.2V的定电压充电,由电池本生的内阻进行限流,此刻充电电流就好像图1的CV阶段。跟着时刻曩昔,充电电流出现指数曲线递减,当抵达设定电流ICHG的10%,即封闭充电器,一起指示充电完结。

但是,当电池毛病时,电池或许无法贮存电能,电压抑不会升高,所充入的能量转变成热,除了依托过温度维护机制之外,IC内部亦具有超时守时器,不管此刻电池电压状况怎么,只需超越设定充电时刻后,随即封闭充电器,以抵达多重维护运用者之功用。

运用者亦有或许在充电或式充电结束后,在未将电源移除的状况下,即抽离电池的状况。为防止构成风险,IC内部应具有如图7, 8的电池存在侦测机制。充电IC会以短时刻脉冲(每370ms发生2ms的脉冲)方法抽取电池电流,此刻若电池存在,则侦测到的电池电压应大于一预设阀值;若电池已切离,则充电%&&&&&%侦测到一低电压,即可判定为电池断开状况,并将电池端电压堵截,维护运用者安全。


图7. 电池存在侦测机制

图8:电池移除侦测机制

定论

锂离子电池以其特有的功能优势已在可携式设备如笔记核算机、开麦拉、移动通讯中得到遍及运用。而新一代的聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化、恣意面积化和恣意形状化,大大提高了电池造型规划的灵活性。一起,聚合物锂离子电池的单位能量比现在的一般锂离子电池提高了20%,其容量、与环保功能等方面都较锂离子电池皆取得改进。因而能够预见的是,未来锂离子电池的充电器,亦朝向更快速的充电速率与更健旺的体系维护才能为未来开展趋势。

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