凹凸科技

鋰離子電池以高能量密度、體積小、重量輕等優(yōu)勢，在手機、筆記本電腦市場，它已經(jīng)完全取代其他電池，擁有100%的占有率；目前，鋰離子電池正迅速延伸入電動工具、電動自行車、及其他的應用中，它廣闊的市場前景也越來越得到業(yè)界的認同。然而與鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池相比，要更快地推動鋰離子電池的應用和發(fā)展，我們就必須不斷提高它的安全性和使用壽命。本文將從充電器角度，討論一種新型的充電解決方案以提高鋰離子電池的安全性，延長電池使用壽命，同時降低充電器的成本。

在使用電池的過程中，我們常會聽到電池業(yè)者這樣的一句話：“電池使用中壞的少，更多的是被充壞的”。這句話我們可以理解為，不正確的充電條件或方法將更容易損害電池、降低電池的壽命。以18650鈷酸鋰離子電池為例，（1）充電過溫，在70℃左右：電解質(zhì)界面(SEI)模開始分解并發(fā)熱；120℃左右：電解質(zhì)、正極開始熱分解，造成析氣并使溫度迅速上升；在到260℃左右：電池爆炸。（2）充電過壓，以過壓5.5V來看，鋰金屬析出，溶劑被氧化，溫度上升，產(chǎn)生惡性循環(huán)，電池著火、爆炸�？梢姁毫拥某潆姺椒〞�對電池特性產(chǎn)生嚴重的影響。因此，關于如何充電，我們共同來探討下面的幾個重要的問題，

（1）為什么需要預充功能？

電池工作電壓從2.5V(碳負極電池:3V)(電量:0%)到4.2V(電量:100%). 當電壓小于2.5V時, 放電終止. 同時內(nèi)部保護電路的電流損耗也降為最低(放電回路關閉). 當然,實際應用中, 由于不同的內(nèi)部材質(zhì)以及更好的保護電池, 放電終止電壓可在2.5V~3.0V范圍.當電壓超過4.2V時, 充電回路終止，以保護電池安全；而當單體電池工作電壓降到3.0V以下,我們即可認為過放電狀態(tài)，放電回路終止，以保護電池安全. 電池不用時, 應將電池充電到保有20%的電量, 再進行防潮保存。

由于鋰離子電池具有較高的能量比, 因此在電池使用中要嚴格避免過充,過放的現(xiàn)象. 過放會導致活性物質(zhì)的恢復困難, 此時如果直接進入快速沖電模式(大電流), 會對電池產(chǎn)生損害,影響使用壽命 并可能因此帶來隱形危險. 先以小電流(C/10)充到2.5V或3.0V,再轉(zhuǎn)換成快充是必要的。

雖然目前鋰離子電池在應用中都帶有保護板,在正常的情況下,發(fā)生過放的幾率會很小,但不加預充功能,在以下的情況還是可能帶來過放的隱患,

1.  保護板失效。

2.  長時間放置(5%~10%/月)的自放電率。

因此小電流預充功能可有效解決過放電池的充電問題。

（2）充電電流是否越大越好?

以單體鋰離子電池為例, 它的充電方式都包括恒流、恒壓充電過程, 恒壓通常為4.2V(以LiCoO2電池為例),恒流設置值為0.1C ~ 1C.雖然大電流的充電會縮短充電時間，但也會造成電池生命周期的縮短和容量的降低，因此我們需選擇恰當?shù)暮懔髦颠M行充電。

下面是一個4.2V/900mAH LiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關系曲線(參圖一), 我們可以看出大約500個充放周期后，小電流充電的電池容量明顯大于大電流充電的電池容量。

Charge Current v.s. Battery capacity

圖一：充電電流對電池容量的影響 (Source: Journal of Power Sources)

（3）恒壓充電時的電壓精度要求?

作為高能量密度的電池, 過充對鋰離子電池有著很大的危害,有可能會膨脹和漏液,往往也會發(fā)生爆炸,而且過充電容易造成電池里面的電解物質(zhì)加快的反應而造成電池的使用壽命減短, 因此準確的恒壓充電值對鋰離子電池有著重要的意義。

為了更充分的充飽電,要保證恒壓值和終止電壓值的精度在1%之內(nèi).以鈷酸鋰離子電池為例，最好盡可能接近4.2V,但又不超過4.2V，這種高精度的電壓充電法, 可以減少鈷的溶解, 穩(wěn)定LiCoO2的層狀結(jié)構(gòu),使它的包覆不發(fā)生相變,提高循環(huán)性能，并保持高容量,參圖二。

圖二 LiCoO2 化學特性 (Source: RWTH Aachen University)

圖三 充電電壓對電池容量的影響 (Source: Journal of Power Sources)

由圖三可看出，即使輕微的過壓也會帶來兩個現(xiàn)象的改變：（a）電池初始容量增加；（b）電池循環(huán)壽命降低。

在多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的情況下, 為保證獲到最大的電池容量和壽命, 有時1%的精度也不能滿足應用的要求, 因此有時甚至要求精度達到0.5%以內(nèi)。 所以說, 充電電壓的精度控制是鋰離子電池充電器的一個關鍵。

目前對鋰電池充電電壓有這樣一個誤解，認為有了電池保護板，在電壓精度上不必關心，這是不可取的。因為電池保護板是用于對可能的意外事故進行及時的保護，它考慮的比較多的是安全因素，而不是性能因素。比如以4.2V的電芯為例，保護板的過壓保護參數(shù)是4.30V（有的可能會要4.4V),假如每次都過充，以4.30V作為充電截止點,電池容量也會很快衰減的。

（4）為什么需要充電定時器?

曾有一充電器廠家跟我講，他們以前常碰到過來退貨的充電器用戶說充電器壞了，原因是電池充了一天，電池都充不飽，充電器不轉(zhuǎn)燈，一直是紅燈。可廠家對充電器實際測量時，又發(fā)現(xiàn)它是正常的，符合出廠要求。這是什么問題呢？這主要是因為這充電器沒考慮到電池的老化后自放電變大。如果截止充電的電流設置過小，將使得老化的電池一直達不到充電完成的設置點，從而使得用戶產(chǎn)生誤判，認為充電器已壞。

充電定時器的作用就是防止已損害的或過多循環(huán)的鋰電池, 在充電的截止段, 由于自放電過大, 使電池難以進入EOC的狀態(tài)(高于判斷電流),一方面給用戶帶來電池充不飽的誤判，另一方面也可能由于過長時間的充電，帶來電池過熱膨脹, 甚至危險。

針對這些因素考量，凹凸科技(O2Micro)推出的新型多串鋰離子電池充電芯OZ8981已是一各完善的解決方案。OZ8981是一個專用的充電管理集成芯片,它帶精確電壓,電流輸出和多重保護,并提供六階段充電控制模式,系統(tǒng)設計方便且成本低。它主要針對用于輕型電動汽車,電動自行車和電動工具上多節(jié)鋰離子電池包。

OZ8981具體包括了如下功能:

單芯片集成充電控制器

高效的誤差放大器輸出

支持0V脈沖充電、預充電、恒流充電、恒壓充電、截止充電、自動再充電六階段智能充電控制

支持對預充電的啟動電壓、恒流充電值、恒壓充電值及截止充電電流值進行靈活設置

高精準充電電壓(<1%)和電流(<5%)輸出；通過外部電阻調(diào)整，電壓輸出精度可<0.5%

支持雙充電定時器保護--預充電定時, 恒壓充電定時（最大: 5小時, 或不使用)

支持雙溫度保護--芯片內(nèi)部溫度保護(115℃), 外部過高溫保護(默認：44℃)和過低溫保護(默認：2℃)，外部溫度保護點可外部靈活設置

支持充電過壓保護, 過流保護，短路保護

支持電池自動接入檢測

支持充電狀態(tài)的直接LED顯示

高性價比, 高可靠性

通用封裝：SOP16

OZ8981鋰離子電池充電曲線圖：

通過與前端PWM芯片的結(jié)合，OZ8981將幫用戶快速的實現(xiàn)安全高效且低成本的鋰離子電池充電器設計。