锂离子电池的充电方法

2021-08-26

锂离子电池的充电方法

锂离子电池是消费电子产品中最常用的电池。在之前使用的其他类型中，用于电子设备的镍镉电池已被欧盟禁止使用，因此对这些类型的总体需求已经下降。

镍氢电池仍在使用，但其较低的能量密度和成本效益比使它们没有吸引力。

锂离子电池运营与建设

锂离子电池被认为是二次电池，这意味着它们是可充电的。最常见的类型包括由涂在铜基板或集电器上的石墨层制成的阳极，以及涂在铝基板上的钴酸锂阴极。

隔板通常是聚乙烯或聚丙烯薄膜，可将两个电极电隔离，但允许锂离子通过它传输。这种安排如图 1 所示。

还使用各种其他类型的阳极和阴极材料，最常见的阴极通常将它们的名称用于电池的类型描述。

因此，钴酸锂阴极电池被称为LCO电池。锂镍锰钴氧化物类型称为 NMC 类型，具有磷酸铁锂阴极的电池称为 LFP 电池。

图 1 – 典型锂离子电池的主要组件

在实际的锂离子电池中，这些层通常紧紧缠绕在一起，而电解液虽然是液体，但几乎不足以润湿电极，并且内部没有液体晃动。

这种布置如图 2 所示，该图描绘了棱柱形或矩形金属外壳电池的实际内部结构。其他流行的外壳类型是圆柱形和袋状（通常称为聚合物电池）。

该图中未显示连接到每个集电器的金属片。这些接线片是与电池的电气连接，本质上是电池端子。

图 2 – 棱柱形锂离子电池的典型内部结构

为锂离子电池充电涉及使用外部能源将带正电的锂离子从阴极驱动到阳极电极。因此，阴极带负电，阳极带正电。

在外部，充电涉及电子从阳极侧移动到充电源，并且将相同数量的电子推入阴极。这与锂离子的内部流动方向相反。

在放电期间，外部负载连接在电池端子上。储存在阳极中的锂离子移动回阴极。在外部，这涉及电子从阴极到阳极的移动。因此，电流流过负载。

简而言之，例如，在充电过程中电池内部发生的情况是，在阴极侧，钴酸锂释放出一些锂离子，变成一种锂含量较少但仍具有化学稳定性的化合物。

在阳极侧，这些锂离子嵌入或嵌入石墨分子晶格的间隙空间中。

在充电和放电过程中必须考虑几个问题。在内部，锂离子在充电和放电过程中必须穿过多个界面。例如，在充电过程中，锂离子必须从大部分阴极传输到阴极和电解质界面。

从那里它必须穿过电解液，穿过隔板到达电解液和阳极之间的界面。最后，它必须从这个界面扩散到阳极材料的主体。

通过这些不同介质中的每一种的电荷传输速率由其离子迁移率控制。这反过来又受温度和离子浓度等因素的影响。

这实际上意味着在充电和放电过程中必须采取预防措施以确保不超过这些限制。

锂离子电池充电注意事项

为锂离子电池充电需要特殊的充电算法。这分以下几个阶段进行：

涓流充电（预充电）

如果电池充电水平非常低，则以降低的恒定电流速率充电，该速率通常约为下面描述的全速率充电速率的 1/10。

在此期间，电池电压增加，当达到给定阈值时，充电速率增加到完全充电速率。

请注意，一些充电器将这个涓流充电阶段分为两个阶段：预充电和涓流充电，具体取决于最初的电池电压有多低。

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如果电池电压最初足够高，或者如果电池已经充电到这一点，则开始满充电率阶段。

这也是一个恒流充电阶段，在这个阶段电池电压继续缓慢上升。

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当电池电压上升到其最大充电电压时，逐渐开始充电阶段。在这个阶段，充电电压保持恒定。

这很重要，因为如果允许以高于最大电压的电压充电，锂离子电池将发生灾难性故障。如果这个充电电压保持在这个最大值不变，那么充电电流就会慢慢减小。

截止/终止

当充电电流降低到足够低的值时，充电器与电池断开连接。该值通常是全速率充电电流的 1/10 或 1/20。

重要的是不要对锂离子电池进行浮充，因为从长远来看，这会降低电池的性能和可靠性。

虽然上一节描述了各个充电阶段，但没有提供各个阶段的具体阈值。从电压开始，每种锂离子电池类型都有自己的满充电端电压。

对于最常见的 LCO 和 NCM 类型，这是 4.20V。也有一些带有 4.35V 和 4.45V 的。

对于 LFP 类型，它是 3.65V。LCO/NMC 和 LFP 类型的涓流充电至满充电阈值分别约为 3.0 和 2.6。

设计用于为一种类型的锂离子电池（例如 LCO）充电的充电器不能用于为另一种类型（例如 LFP 电池）充电。

但是请注意，有些充电器可以配置为对多种类型进行充电。这些通常需要充电器设计中的不同组件值以适应每种类型的电池。

说到充电电流，需要稍微解释一下。锂离子电池容量传统上以 mAh、毫安-小时或 Ah 为单位报告。该单位本身实际上并不是储能容量单位。要获得实际的能量容量，必须考虑电池电压。

图 3 显示了 LCO 型锂离子电池的典型放电曲线。由于放电电压具有斜率，因此取整条放电曲线的平均电池电压为电池电压。

对于 LCO 类型，该值通常为 3.7 至 3.85V，对于 LFP 类型，该值通常为 2.6V。将 mAh 值与电池的平均电压相乘，即可得出给定电池的 mWh 或能量存储容量。

电池充电电流以 C-rate 表示，其中 1C 在数值上与以 mA 为单位的电池容量相同。因此，一块 1000mAh 的电池具有 1000mA 的 C 值。由于各种原因，锂离子电池允许的最大充电率对于 LCO 类型通常在 0.5C 到 1C 之间，对于 LFP 类型，通常在 3C 或更高。

当然，一个电池可以由最少一个电池组成，但也可以由多个电池组成，这些电池是串联连接的并联电池组的组合。

之前给出的场景适用于单节电池。在电池由多个电池组成的情况下，充电电压和充电电流必须按比例调整以匹配。

因此，充电电压乘以串联连接的电池或电池组的数量，并且类似地，充电电流乘以每个串联连接的组中的并联连接的电池的数量。

图 3 – LCO 型电池的典型放电曲线

为锂离子电池充电时必须考虑的一个非常重要的附加因素是温度。锂离子电池不能在低温或高温下充电。

在低温下，锂离子移动缓慢。这会导致锂离子聚集在阳极表面，最终变成锂金属。由于这种锂金属形成采用枝晶的形式，它可能会刺穿隔板，导致内部短路。

在温度范围的高端，问题是产生过多的热量。电池充电不是 100% 有效，充电过程中会产生热量。如果核心的内部温度过高，电解质可能会部分分解，并变成气态副产物。这会导致电池容量永久降低以及膨胀。

对于优质电池，锂离子电池充电的典型温度范围为 0°C 至 45°C，对于较便宜的电池，充电温度范围约为 8°C 至 45°C。一些电池还允许在更高的温度下充电，最高可达约 60°C，但充电速率会降低。

所有这些考虑通常都由专用充电器芯片来满足，强烈建议使用此类芯片，而不管实际充电源如何。

锂离子充电器

锂离子充电器大致分为两大类：线性充电器和开关充电器。这两种类型都可以满足先前关于锂离子电池正确充电的要求。但是，它们各有优缺点。

线性充电器的优点是相对简单。然而，它的主要缺点是效率低下。例如，如果电源电压为 5V，电池电压为 3V，充电电流为 1A，则线性充电器将消耗 2W。

如果将此充电器嵌入产品中，则必须散发大量热量。这就是为什么线性充电器多用于最大充电电流在1A左右的情况。

对于大电池，首选开关充电器。在某些情况下，它们的效率水平可达 90%。缺点是其成本较高，并且由于在其设计中使用了电感器，因此需要较大的电路空间。

充电源考虑

不同的应用可能需要不同的充电源。例如，这可以是提供直流输出的直通交流适配器或移动电源。它也可以是来自台式机或类似设备的 USB 端口。它也可能来自太阳能电池板组件。

由于这些不同电源的功率传输能力，除了简单地选择线性或开关充电器之外，还必须进一步考虑实际电池充电器电路的设计。

最直接的情况是充电源提供稳压直流输出，例如交流适配器或移动电源。唯一的要求是选择不超过电池最大充电速率或电源供电能力的充电电流。

从 USB 源充电需要多加注意。如果 USB 端口是 USB 2.0 类型，那么它将遵循 USB 电池充电标准 1.2 或 BC 1.2。

这要求任何负载（在这种情况下是电池充电器）的电流不应超过 100 mA，除非负载已与电源一起枚举。在这种情况下，允许在 5V 下取 500mA。

如果 USB 端口是 USB 3.1，那么它可以遵循 USB BC1.2，或者可以在设计中加入一个有源控制器电路，以根据 USB Power Delivery 或 USB PD 协议协商更多功率。

作为充电源的太阳能电池提出了另一组挑战。太阳能电池电压-电流或 VI 有点类似于普通二极管的电压-电流。普通二极管不会传导任何低于其最小正向电压值的明显电流，然后可以通过更大的电流，而正向电压仅略有增加。

另一方面，太阳能电池可以在相对平坦的电压下提供电流直到某个最大值。超过该电流值，电压急剧下降。

因此，太阳能充电器必须有一个电源管理电路来调节从太阳能电池汲取的电流，以免导致输出电压过低。

幸运的是，TI BQ2407x、BQ24295 等芯片可以容纳上述多个来源之一。

强烈建议花时间寻找合适的充电芯片，而不是从头开始设计电池充电器。