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鋰離子電池的充電方法
鋰離子電池的充電方法
鋰離子電池是消費電子產品中最常用的電池。在之前使用的其他類型中，用于電子設備的鎳鎘電池已被歐盟禁止使用，因此對這些類型的總體需求已經下降。
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有吸引力。
鋰離子電池運營與建設
鋰離子電池被認為是二次電池，這意味著它們是可充電的。最常見的類型包括由涂在銅基板或集電器上的石墨層制成的陽極，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，可將兩個電極電隔離，但允許鋰離子通過它傳輸。這種安排如圖 1 所示。
還使用各種其他類型的陽極和陰極材料，最常見的陰極通常將它們的名稱用于電池的類型描述。
因此，鈷酸鋰陰極電池被稱為LCO電池。鋰鎳錳鈷氧化物類型稱為 NMC 類型，具有磷酸鐵鋰陰極的電池稱為 LFP 電池。
圖 1 – 典型鋰離子電池的主要組件
在實際的鋰離子電池中，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，并且內部沒有液體晃動。
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際內部結構。其他流行的外殼類型是圓柱形和袋狀（通常稱為聚合物電池）。
該圖中未顯示連接到每個集電器的金屬片。這些接線片是與電池的電氣連接，本質上是電池端子。
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到陽極電極。因此，陰極帶負電，陽極帶正電。
在外部，充電涉及電子從陽極側移動到充電源，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。儲存在陽極中的鋰離子移動回陰極。在外部，這涉及電子從陰極到陽極的移動。因此，電流流過負載。
簡而言之，例如，在充電過程中電池內部發生的情況是，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穩定性的化合物。
在陽極側，這些鋰離子嵌入或嵌入石墨分子晶格的間隙空間中。
在充電和放電過程中必須考慮幾個問題。在內部，鋰離子在充電和放電過程中必須穿過多個界面。例如，在充電過程中，鋰離子必須從大部分陰極傳輸到陰極和電解質界面。
從那里它必須穿過電解液，穿過隔板到達電解液和陽極之間的界面。最后，它必須從這個界面擴散到陽極材料的主體。
通過這些不同介質中的每一種的電荷傳輸速率由其離子遷移率控制。這反過來又受溫度和離子濃度等因素的影響。
這實際上意味著在充電和放電過程中必須采取預防措施以確保不超過這些限制。
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。這分以下幾個階段進行：
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，充電速率增加到完全充電速率。
請注意，一些充電器將這個涓流充電階段分為兩個階段：預充電和涓流充電，具體取決于最初的電池電壓有多低。
全額收費
如果電池電壓最初足夠高，或者如果電池已經充電到這一點，則開始滿充電率階段。
這也是一個恒流充電階段，在這個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，逐漸開始充電階段。在這個階段，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，鋰離子電池將發生災難性故障。如果這個充電電壓保持在這個最大值不變，那么充電電流就會慢慢減小。
截止/終止
當充電電流降低到足夠低的值時，充電器與電池斷開連接。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行浮充，因為從長遠來看，這會降低電池的性能和可靠性。
雖然上一節描述了各個充電階段，但沒有提供各個階段的具體閾值。從電壓開始，每種鋰離子電池類型都有自己的滿充電端電壓。
對于最常見的 LCO 和 NCM 類型，這是 4.20V。也有一些帶有 4.35V 和 4.45V 的。
對于 LFP 類型，它是 3.65V。LCO/NMC 和 LFP 類型的涓流充電至滿充電閾值分別約為 3.0 和 2.6。
設計用于為一種類型的鋰離子電池（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型進行充電。這些通常需要充電器設計中的不同組件值以適應每種類型的電池。
說到充電電流，需要稍微解釋一下。鋰離子電池容量傳統上以 mAh、毫安-小時或 Ah 為單位報告。該單位本身實際上并不是儲能容量單位。要獲得實際的能量容量，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。由于放電電壓具有斜率，因此取整條放電曲線的平均電池電壓為電池電壓。
對于 LCO 類型，該值通常為 3.7 至 3.85V，對于 LFP 類型，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 類型通常在 0.5C 到 1C 之間，對于 LFP 類型，通常在 3C 或更高。
當然，一個電池可以由最少一個電池組成，但也可以由多個電池組成，這些電池是串聯連接的并聯電池組的組合。
之前給出的場景適用于單節電池。在電池由多個電池組成的情況下，充電電壓和充電電流必須按比例調整以匹配。
因此，充電電壓乘以串聯連接的電池或電池組的數量，并且類似地，充電電流乘以每個串聯連接的組中的并聯連接的電池的數量。
圖 3 – LCO 型電池的典型放電曲線
為鋰離子電池充電時必須考慮的一個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，鋰離子移動緩慢。這會導致鋰離子聚集在陽極表面，最終變成鋰金屬。由于這種鋰金屬形成采用枝晶的形式，它可能會刺穿隔板，導致內部短路。
在溫度范圍的高端，問題是產生過多的熱量。電池充電不是 100% 有效，充電過程中會產生熱量。如果核心的內部溫度過高，電解質可能會部分分解，并變成氣態副產物。這會導致電池容量永久降低以及膨脹。
對于優質電池，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，但充電速率會降低。
所有這些考慮通常都由專用充電器芯片來滿足，強烈建議使用此類芯片，而不管實際充電源如何。
鋰離子充電器
鋰離子充電器大致分為兩大類：線性充電器和開關充電器。這兩種類型都可以滿足先前關于鋰離子電池正確充電的要求。但是，它們各有優缺點。
線性充電器的優點是相對簡單。然而，它的主要缺點是效率低下。例如，如果電源電壓為 5V，電池電壓為 3V，充電電流為 1A，則線性充電器將消耗 2W。
如果將此充電器嵌入產品中，則必須散發大量熱量。這就是為什么線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，首選開關充電器。在某些情況下，它們的效率水平可達 90%。缺點是其成本較高，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電源。它也可以是來自臺式機或類似設備的 USB 端口。它也可能來自太陽能電池板組件。
由于這些不同電源的功率傳輸能力，除了簡單地選擇線性或開關充電器之外，還必須進一步考慮實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電源。唯一的要求是選擇不超過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 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有源控制器電路，以根據 USB Power Delivery 或 USB PD 協議協商更多功率。
作為充電源的太陽能電池提出了另一組挑戰。太陽能電池電壓-電流或 VI 有點類似于普通二極管的電壓-電流。普通二極管不會傳導任何低于其最小正向電壓值的明顯電流，然后可以通過更大的電流，而正向電壓僅略有增加。
另一方面，太陽能電池可以在相對平坦的電壓下提供電流直到某個最大值。超過該電流值，電壓急劇下降。
因此，太陽能充電器必須有一個電源管理電路來調節從太陽能電池汲取的電流，以免導致輸出電壓過低。
幸運的是，TI BQ2407x、BQ24295 等芯片可以容納上述多個來源之一。
強烈建議花時間尋找合適的充電芯片，而不是從頭開始設計電池充電器。