鋰離子電池的充電方法

2021-08-26

鋰離子電池的充電方法

鋰離子電池是消費電子產(chǎn)品中最常用的電池。在之前使用的其他類(lèi)型中，用于電子設備的鎳鎘電池已被歐盟禁止使用，因此對這些類(lèi)型的總體需求已經(jīng)下降。

鎳氫電池仍在使用，但其較低的能量密度和成本效益比使它們沒(méi)有吸引力。

鋰離子電池運營(yíng)與建設

鋰離子電池被認為是二次電池，這意味著(zhù)它們是可充電的。最常見(jiàn)的類(lèi)型包括由涂在銅基板或集電器上的石墨層制成的陽(yáng)極，以及涂在鋁基板上的鈷酸鋰陰極。

隔板通常是聚乙烯或聚丙烯薄膜，可將兩個(gè)電極電隔離，但允許鋰離子通過(guò)它傳輸。這種安排如圖 1 所示。

還使用各種其他類(lèi)型的陽(yáng)極和陰極材料，最常見(jiàn)的陰極通常將它們的名稱(chēng)用于電池的類(lèi)型描述。

因此，鈷酸鋰陰極電池被稱(chēng)為LCO電池。鋰鎳錳鈷氧化物類(lèi)型稱(chēng)為 NMC 類(lèi)型，具有磷酸鐵鋰陰極的電池稱(chēng)為 LFP 電池。

圖 1 – 典型鋰離子電池的主要組件

在實(shí)際的鋰離子電池中，這些層通常緊緊纏繞在一起，而電解液雖然是液體，但幾乎不足以潤濕電極，并且內部沒(méi)有液體晃動(dòng)。

這種布置如圖 2 所示，該圖描繪了棱柱形或矩形金屬外殼電池的實(shí)際內部結構。其他流行的外殼類(lèi)型是圓柱形和袋狀（通常稱(chēng)為聚合物電池）。

該圖中未顯示連接到每個(gè)集電器的金屬片。這些接線(xiàn)片是與電池的電氣連接，本質(zhì)上是電池端子。

圖 2 – 棱柱形鋰離子電池的典型內部結構

為鋰離子電池充電涉及使用外部能源將帶正電的鋰離子從陰極驅動(dòng)到陽(yáng)極電極。因此，陰極帶負電，陽(yáng)極帶正電。

在外部，充電涉及電子從陽(yáng)極側移動(dòng)到充電源，并且將相同數量的電子推入陰極。這與鋰離子的內部流動(dòng)方向相反。

在放電期間，外部負載連接在電池端子上。儲存在陽(yáng)極中的鋰離子移動(dòng)回陰極。在外部，這涉及電子從陰極到陽(yáng)極的移動(dòng)。因此，電流流過(guò)負載。

簡(jiǎn)而言之，例如，在充電過(guò)程中電池內部發(fā)生的情況是，在陰極側，鈷酸鋰釋放出一些鋰離子，變成一種鋰含量較少但仍具有化學(xué)穩定性的化合物。

在陽(yáng)極側，這些鋰離子嵌入或嵌入石墨分子晶格的間隙空間中。

在充電和放電過(guò)程中必須考慮幾個(gè)問(wèn)題。在內部，鋰離子在充電和放電過(guò)程中必須穿過(guò)多個(gè)界面。例如，在充電過(guò)程中，鋰離子必須從大部分陰極傳輸到陰極和電解質(zhì)界面。

從那里它必須穿過(guò)電解液，穿過(guò)隔板到達電解液和陽(yáng)極之間的界面。最后，它必須從這個(gè)界面擴散到陽(yáng)極材料的主體。

通過(guò)這些不同介質(zhì)中的每一種的電荷傳輸速率由其離子遷移率控制。這反過(guò)來(lái)又受溫度和離子濃度等因素的影響。

這實(shí)際上意味著(zhù)在充電和放電過(guò)程中必須采取預防措施以確保不超過(guò)這些限制。

鋰離子電池充電注意事項

為鋰離子電池充電需要特殊的充電算法。這分以下幾個(gè)階段進(jìn)行：

涓流充電（預充電）

如果電池充電水平非常低，則以降低的恒定電流速率充電，該速率通常約為下面描述的全速率充電速率的 1/10。

在此期間，電池電壓增加，當達到給定閾值時(shí)，充電速率增加到完全充電速率。

請注意，一些充電器將這個(gè)涓流充電階段分為兩個(gè)階段：預充電和涓流充電，具體取決于最初的電池電壓有多低。

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如果電池電壓最初足夠高，或者如果電池已經(jīng)充電到這一點(diǎn)，則開(kāi)始滿(mǎn)充電率階段。

這也是一個(gè)恒流充電階段，在這個(gè)階段電池電壓繼續緩慢上升。

錐形電荷

當電池電壓上升到其最大充電電壓時(shí)，逐漸開(kāi)始充電階段。在這個(gè)階段，充電電壓保持恒定。

這很重要，因為如果允許以高于最大電壓的電壓充電，鋰離子電池將發(fā)生災難性故障。如果這個(gè)充電電壓保持在這個(gè)最大值不變，那么充電電流就會(huì )慢慢減小。

截止/終止

當充電電流降低到足夠低的值時(shí)，充電器與電池斷開(kāi)連接。該值通常是全速率充電電流的 1/10 或 1/20。

重要的是不要對鋰離子電池進(jìn)行浮充，因為從長(cháng)遠來(lái)看，這會(huì )降低電池的性能和可靠性。

雖然上一節描述了各個(gè)充電階段，但沒(méi)有提供各個(gè)階段的具體閾值。從電壓開(kāi)始，每種鋰離子電池類(lèi)型都有自己的滿(mǎn)充電端電壓。

對于最常見(jiàn)的 LCO 和 NCM 類(lèi)型，這是 4.20V。也有一些帶有 4.35V 和 4.45V 的。

對于 LFP 類(lèi)型，它是 3.65V。LCO/NMC 和 LFP 類(lèi)型的涓流充電至滿(mǎn)充電閾值分別約為 3.0 和 2.6。

設計用于為一種類(lèi)型的鋰離子電池（例如 LCO）充電的充電器不能用于為另一種類(lèi)型（例如 LFP 電池）充電。

但是請注意，有些充電器可以配置為對多種類(lèi)型進(jìn)行充電。這些通常需要充電器設計中的不同組件值以適應每種類(lèi)型的電池。

說(shuō)到充電電流，需要稍微解釋一下。鋰離子電池容量傳統上以 mAh、毫安-小時(shí)或 Ah 為單位報告。該單位本身實(shí)際上并不是儲能容量單位。要獲得實(shí)際的能量容量，必須考慮電池電壓。

圖 3 顯示了 LCO 型鋰離子電池的典型放電曲線(xiàn)。由于放電電壓具有斜率，因此取整條放電曲線(xiàn)的平均電池電壓為電池電壓。

對于 LCO 類(lèi)型，該值通常為 3.7 至 3.85V，對于 LFP 類(lèi)型，該值通常為 2.6V。將 mAh 值與電池的平均電壓相乘，即可得出給定電池的 mWh 或能量存儲容量。

電池充電電流以 C-rate 表示，其中 1C 在數值上與以 mA 為單位的電池容量相同。因此，一塊 1000mAh 的電池具有 1000mA 的 C 值。由于各種原因，鋰離子電池允許的最大充電率對于 LCO 類(lèi)型通常在 0.5C 到 1C 之間，對于 LFP 類(lèi)型，通常在 3C 或更高。

當然，一個(gè)電池可以由最少一個(gè)電池組成，但也可以由多個(gè)電池組成，這些電池是串聯(lián)連接的并聯(lián)電池組的組合。

之前給出的場(chǎng)景適用于單節電池。在電池由多個(gè)電池組成的情況下，充電電壓和充電電流必須按比例調整以匹配。

因此，充電電壓乘以串聯(lián)連接的電池或電池組的數量，并且類(lèi)似地，充電電流乘以每個(gè)串聯(lián)連接的組中的并聯(lián)連接的電池的數量。

圖 3 – LCO 型電池的典型放電曲線(xiàn)

為鋰離子電池充電時(shí)必須考慮的一個(gè)非常重要的附加因素是溫度。鋰離子電池不能在低溫或高溫下充電。

在低溫下，鋰離子移動(dòng)緩慢。這會(huì )導致鋰離子聚集在陽(yáng)極表面，最終變成鋰金屬。由于這種鋰金屬形成采用枝晶的形式，它可能會(huì )刺穿隔板，導致內部短路。

在溫度范圍的高端，問(wèn)題是產(chǎn)生過(guò)多的熱量。電池充電不是 100% 有效，充電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生熱量。如果核心的內部溫度過(guò)高，電解質(zhì)可能會(huì )部分分解，并變成氣態(tài)副產(chǎn)物。這會(huì )導致電池容量永久降低以及膨脹。

對于優(yōu)質(zhì)電池，鋰離子電池充電的典型溫度范圍為 0°C 至 45°C，對于較便宜的電池，充電溫度范圍約為 8°C 至 45°C。一些電池還允許在更高的溫度下充電，最高可達約 60°C，但充電速率會(huì )降低。

所有這些考慮通常都由專(zhuān)用充電器芯片來(lái)滿(mǎn)足，強烈建議使用此類(lèi)芯片，而不管實(shí)際充電源如何。

鋰離子充電器

鋰離子充電器大致分為兩大類(lèi)：線(xiàn)性充電器和開(kāi)關(guān)充電器。這兩種類(lèi)型都可以滿(mǎn)足先前關(guān)于鋰離子電池正確充電的要求。但是，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。

線(xiàn)性充電器的優(yōu)點(diǎn)是相對簡(jiǎn)單。然而，它的主要缺點(diǎn)是效率低下。例如，如果電源電壓為 5V，電池電壓為 3V，充電電流為 1A，則線(xiàn)性充電器將消耗 2W。

如果將此充電器嵌入產(chǎn)品中，則必須散發(fā)大量熱量。這就是為什么線(xiàn)性充電器多用于最大充電電流在1A左右的情況。

對于大電池，首選開(kāi)關(guān)充電器。在某些情況下，它們的效率水平可達 90%。缺點(diǎn)是其成本較高，并且由于在其設計中使用了電感器，因此需要較大的電路空間。

充電源考慮

不同的應用可能需要不同的充電源。例如，這可以是提供直流輸出的直通交流適配器或移動(dòng)電源。它也可以是來(lái)自臺式機或類(lèi)似設備的 USB 端口。它也可能來(lái)自太陽(yáng)能電池板組件。

由于這些不同電源的功率傳輸能力，除了簡(jiǎn)單地選擇線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)充電器之外，還必須進(jìn)一步考慮實(shí)際電池充電器電路的設計。

最直接的情況是充電源提供穩壓直流輸出，例如交流適配器或移動(dòng)電源。唯一的要求是選擇不超過(guò)電池最大充電速率或電源供電能力的充電電流。

從 USB 源充電需要多加注意。如果 USB 端口是 USB 2.0 類(lèi)型，那么它將遵循 USB 電池充電標準 1.2 或 BC 1.2。

這要求任何負載（在這種情況下是電池充電器）的電流不應超過(guò) 100 mA，除非負載已與電源一起枚舉。在這種情況下，允許在 5V 下取 500mA。

如果 USB 端口是 USB 3.1，那么它可以遵循 USB BC1.2，或者可以在設計中加入一個(gè)有源控制器電路，以根據 USB Power Delivery 或 USB PD 協(xié)議協(xié)商更多功率。

作為充電源的太陽(yáng)能電池提出了另一組挑戰。太陽(yáng)能電池電壓-電流或 VI 有點(diǎn)類(lèi)似于普通二極管的電壓-電流。普通二極管不會(huì )傳導任何低于其最小正向電壓值的明顯電流，然后可以通過(guò)更大的電流，而正向電壓僅略有增加。

另一方面，太陽(yáng)能電池可以在相對平坦的電壓下提供電流直到某個(gè)最大值。超過(guò)該電流值，電壓急劇下降。

因此，太陽(yáng)能充電器必須有一個(gè)電源管理電路來(lái)調節從太陽(yáng)能電池汲取的電流，以免導致輸出電壓過(guò)低。

幸運的是，TI BQ2407x、BQ24295 等芯片可以容納上述多個(gè)來(lái)源之一。

強烈建議花時(shí)間尋找合適的充電芯片，而不是從頭開(kāi)始設計電池充電器。