- 基于鋰離子的電池和充電器設計研究
- 電池特性
- 電池充電方式的設計
- 對電池進行溫度檢測
- 鋰離子充電器的設計
前言
便攜式電子產品皆以電池作為電源。隨著便攜式產品的迅速發展，各種電池的用量大增，并且開發出許多新型電池。除大家較熟悉的堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來成為主流的鋰離子電池。這里會介紹有關鋰離子電池的相關知識，包括它的特性、主要參數、應用范圍，最后并提供鋰離子電池充電線路之設計參考。
鋰離子電池發展與應用
鋰離子電池是目前應用最為廣泛的可再次充電式電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，可以單節電池使用于低功率應用，也可以將多節電池進行串并聯組合得到更高電壓與容量，用于電動工具與筆記型計算機。鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物(鋰離子/鋰聚合物電池)、或凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發現能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物，所以大多數的鋰離子/ 鋰聚合物電池實際上是結合凝膠體和聚合物的混合型電池。
鋰離子電池有別于一般的化學電池，其充放電工作過程是通過電池正負極中鋰離子的嵌入和脫嵌來實現的，當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液移動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又移動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在充放電過程中，鋰離子處于從正極到負極到正極的循環運動狀態。由于鋰離子電池中使用的是離子狀態的鋰而非金屬鋰，危險性低，安全性高。
電池特性
電池的性能參數主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內部移到正極時，電池非靜電力(化學力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性質，與電池的大小無關。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。
在電池反應中，每公斤反應物質所產生的電能稱為電池的理論比能量。所謂比能量指的是單位重量或單位體積中所儲存的能量，以Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進行，同時電池內阻也會引起電壓降。另一方面，電流流過電池的截面積越大，其內阻越小。鋰離子電池的最大特點是比能量高，現今的鋰離子電池技術可達到比能量為80~120 wh/kg，而傳統鉛酸電池的比能量僅為30~40 wh/kg，因此鋰離子電池可以以較小體積儲存更高能量，有助于講求輕薄短小的行動電子裝置與要求高續航力的電動車應用。
以下亦列出鋰離子電池的幾項特點：高容量：鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。
●高電壓 ：一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(標稱值)，相當于三個串聯的鎳鎘或鎳氫電池。
●高穩定：由于不含金屬鋰，危險性低，因而不受飛機運輸關于禁止在客機攜帶規定的限制。
●長壽命：可充電鋰離子電池充電全滿時、電壓約為4.2伏特，放電時電壓會下降、但不宜低于約2.5伏特，保存電壓或出廠電壓約為3.6至3.7 伏特。使用壽命主要關鍵為充電次數，優良的可充電鋰離子電池約有500次以上的壽命(由2.5伏特充電至4.2伏特算一次)，且鋰離子電池不存在記憶效應。
●快速充電：使用額定電壓為4.2V的定電壓/定電流充電器，可以使鋰離子電池在1~2.5個小時內就充滿電。但須注意如果充電電壓超過4.3伏特以上，有爆炸的危險。電池電壓低于2.0伏特，則鋰離子電池損毀，無法再使用或充電。
電池充電方式
由以上可以知道，鋰離子電池雖然具有高容量與長壽命的優勢，但是在充放電方面則需特別注意，因此所有可充電鋰離子電池都需要配置其“充放電管理 IC”，用以限制充電及放電電壓，以確保不超過安全電壓致電池爆炸，當電池電壓低于2.5V切斷輸出，避免電池壽命縮短。除少數標準品之外，多數鋰離子電池體積外型各異，以實際應用為主，容量規格也不盡相同，因此充電電流由各制造廠商自行設計規范。依據電流大小而有所謂快充或慢充模式；然大電流的充電模式通常有損使用壽命。雖然電池組中已包含有充電管理IC，但此僅作為電池爆炸或防止燃燒的最低保護措施，而非正常的使用方式，為充分達到電池的壽命與效率，充電器的設計仍需離此一上下限甚遠。
除了過放電之外，鋰離子電池也不適合用作大電流放電，大電流放電時會降低放電時間(內部會產生較高的溫度而損耗能量)。因此電池制造商規范該產品最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流。鋰離子電池對充電品質的要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的 1%之內(例如:充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)過壓充電可能對鋰離子電池造成永久性損壞，嚴重者導致電池爆炸；鋰離子電池的充電電流應根據電池制造廠的規范選用。雖然某些電池充電電流標稱可達2C(C是電池的容量，標示如1000mAh，1C充電率即充電電流為1A)，但高充電電流會降低電池壽命，因此一般常用的充電率為0.25C～1C。因充電過程的電化學反應會產生熱，有一定的能量損失；另外鋰離子電池充電并非全部采用定電流充電，還有定電壓模式充電，所以實際充電時間約為2.5小時左右；鋰離子電池充電的溫度在0℃~ 60℃范圍。如果充電電流過大會產生溫度過高，不僅會損壞電池并可能引起爆炸。因此在大電流充電時，需要對電池進行溫度檢測，并且在超過設定充電溫度時能停止充電以保證安全。另外，充電器電路中有設定的限流電阻，保證充電電流不超過設定的限制電流。
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目前鋰離子電池的充電器常采用三段充電法，即預充電模式(Pre-Charging Mode)、定電流充電(Fast Charging Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Mode)。鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。設計完善的充電器可對過放的電池進行挽救修復，即在正式充電前進行預處理。于充電前先檢測電池的電壓：若電池電壓大于 3V，則按正常方式充電；若電池電壓低于3V，則以小電流(約為10%的定電流模式充電電流)充電稱之為預充電模式，讓處于深度放電狀態下而溶解的鈍化膜進行還原。此外，當電池過度放電時，還可能釋出部分銅金屬在陽極造成短路，此時若以高電流進行強迫充電就會導致電池過熱，而預充電階段則能避免這種現象發生。等充到3V后再按正常定電流方式充電。
當電池電壓大于3V，則按正常方式充電的充電特性如圖1所示(以4.2V鋰離子電池為例)。開始以設定的定電流模式充電，此時電池電壓以較快的斜率上升，隨著電池電力儲存的增加，電池電壓上升斜率會逐步降低，上升到接近 4.2V 時，定電流充電階段結束。充電器改以 4.2V定電壓充電，在定電壓階段充電時，電壓幾乎不變，但充電電流持續下降。當充電電流降到某一值時，激活定時器，經一段計數定時截止后，結束充電，完成充電程序。
圖1：典型的鋰離子電池充電曲線
定電壓充電的輸出穩壓精確度對于電池容量最大化和延長電池使用壽命都很重要。當電池穩壓低于4.2V，可能導致電池充電不足，雖不至于影響壽命，卻使得電池蓄電量減少。例如充電不足程度只要達到總電壓的 1%，就會讓電池蓄電量減少8%。另一方面，電池穩壓太高，則導致電池過度充電而縮短使用壽命，甚至造成使用者危險。為了確保鋰離子電池的充電安全，開始充電時的環境溫度，必須在0℃～45℃之間。在更低溫度下進行充電會形成更多金屬鋰，會導致電池阻抗增加與電池劣化。在高溫環境下進行充電，則會增加鋰離子與電解液的反應而加速電池劣化。
一般而言，建議長時間不使用時，應將電池充至70 - 80%進行存放。這也是為防止長時間的自然放電后，鋰離子電池電壓低于2.0伏特，導致鋰離子電池失效而不能使用。經常把鋰離子電池電量耗盡的使用方式，比經常充放電的使用方式，其壽命至少縮短一半以上。
鋰離子充電器設計范例
為滿足低耗電可攜式產品對于更精確、更安全的充電器應用需求，許多IC制造商發展出低成本線性充電器。圖2是以通嘉科技的LD6275充電IC為設計范例，構成僅需少數外部零件的獨立式線性充電器電路，其具備1.5A的最大充電電流。
圖2：LD6275應用電路圖
LD6275是一個高整合度的鋰離子電池線性充電器IC，具備主動電源路徑管理，在負載端電流進行加載/卸載的情況下，實時調整電池充電電流，有效監控管理輸入電流(即USB埠的輸出電流)，符合USB – IF所規范的浪涌電流限制和軟激活功能的要求。此外，IC內整合有溫度檢測功能，如果IC溫度超過設定值。會自動降低充電電流以保護芯片避免損壞。
LD6275將電源適配器/USB埠的5V直流電源進行降壓穩流，對鋰離子電池進行充電，為防止電源適配器的過電流超載，可以外部電阻 RCISET設定最大充電電流限制。同時支持計算機USB端口充電模式，并依據外部腳位EN1與EN2進行設定，各模式請見表1。透過為USB 500mA與USB 100mA操作模式設定，可以保護PC端USB埠避免過載。
表1：充電模式設定
LD6275 具有適應性電源路徑管理(Adaptable Power Path Management, APPM)功能，其為以供給系統端用電為主，對電池充電為輔，如圖3所示；當系統用電超過輸入電源的供給限制時，其電池亦能主動開啟放電功能同時對系統端供給其所需之電能需求，如圖4所示。
圖3. APPM
圖4. APPM
LD6275開放兩段的電池設定電壓與充電電流的調整，可根據其需求動態調整，如為符合日本JEITA的規范要求根據電池之溫度而調整充電器之設定，如下圖5表示。
圖5：TVSET, TISET調整
由于LD6275本身耗電極小，僅1~2mA,幾乎可以忽略，因此IC本身發熱功率Pd可以由下列公式計算：
Vin為輸入電源電壓，工作范圍4.1V~6V.VBAT是電池電壓，可以由0~4.2V,ICHG為設定充電電流，由外部電阻RCISET設定之。當電池電壓低于3V時，會進入預充電模式，IC內部預設以ICHG的10%電流進行充電。
假設使用5.5V電源供應器對單顆1200mAh鋰離子電池進行充電，在0.7℃快速充電電流時，且電池電壓為3V的條件下，可以預估IC運作的最大耗電量為，1.762W的耗電最大值，此一功耗會使得熱阻抗60℃/W的3×3毫米QFN封裝溫度溫升127℃，即便環境溫度0℃時，也已經超過所允許的125℃硅芯片操作溫度最大值。若設定充電電流為0.6A(0.5C)，則可降低IC溫升為90度，可以操作于35度的環境溫度中，因此是較佳的設定電流。
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由以上可以得知，快速充電穩流值和電源供應電壓的操作范圍，對于線性充電器相當重要。線性充電器的根本問題在于操作時芯片溫度較高，使得設計時必須在充電電流和散熱機構之間做取舍。但往往線性充電器的應用范圍是需要輕薄要求的便攜式產品，多使用導熱性差的塑料外殼，亦不考慮金屬散熱片，最后產品設計者唯有降低充電電流并延長充電時間，來換取較低的操作溫度。基于可攜式產品使用者，希望能夠在1~2小時中完成充電，因此線性充電器通常比較適合 1500mAh以下的低容量鋰離子電池應用。若要應用于高輸入/輸出電壓差或高容量電池的充電應用，此時可以考慮應用同步交換式充電器。
圖6所示為鋰離子電池充電器的標準充電流程，首先充電IC偵測是否有輸出短路或是過載的保護模式，若系統一切正常接著偵測電池初始電壓是否達到 3V以上，高于3V者就直接以快充模式進行高電流充電，若電池低于3V者，進入預充電模式，以快充的10%進行充電，喚醒電池并避免電池損壞。在預充電階段，仍隨時偵測電池電壓，達到3V后可隨即切入快充模式。
圖6：鋰離子電池充電器的標準充電流程
在快充模式下，電池的電壓以較高速度上升，升高至4.2V時，切換至4.2V的定電壓充電，由電池本生的內阻進行限流，此時充電電流就如同圖1的CV階段。隨著時間過去，充電電流呈現指數曲線遞減，當到達設定電流ICHG的10%，即關閉充電器，同時指示充電完成。
然而，當電池故障時，電池可能無法儲存電能，電壓抑不會升高，所充入的能量轉變成熱，除了依靠過溫度保護機制之外，IC內部亦具有超時定時器，無論此時電池電壓狀態如何，只要超過設定充電時間后，隨即關閉充電器，以達到多重保護使用者之功能。
使用者亦有可能在充電或式充電完畢后，在未將電源移除的情況下，即抽離電池的情況。為避免造成危險，IC內部應具有如圖7, 8的電池存在偵測機制。充電IC會以短時間脈沖(每370ms產生2ms的脈沖)方式抽取電池電流，此時若電池存在，則偵測到的電池電壓應大于一預設閥值；若電池已切離，則充電IC偵測到一低電壓，即可判定為電池斷開狀態，并將電池端電壓切斷，保護使用者安全。
圖7. 電池存在偵測機制
圖8：電池移除偵測機制
結論
鋰離子電池以其特有的性能優勢已在可攜式裝置如筆記計算機、攝影機、移動通訊中得到普遍應用。而新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設計的靈活性。同時，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環保性能等方面都較鋰離子電池皆獲得改善。因此可以預見的是，未來鋰離子電池的充電器，亦朝向更快速的充電速率與更強健的系統保護能力為未來發展趨勢。
