多串锂离子电池充电解决方案 - 全文

锂离子电池以能量密度高、体积小、重量轻等优势，在手机、笔记本电脑市场已经完全取代其他电池，占有率几乎达到了100%。目前，锂离子电池正迅速延伸至电动工具及其他的应用中，它广阔的市场前景也越来越得到业界的认同。不过，与镍氢、镍镉、铅酸电池相比，要更快地推动锂离子电池的应用和发展，还必须不断提高它的安全性和使用寿命。本文将从充电器角度，讨论一种新型的充电解决方案以提高锂离子电池的安全性，延长电池使用寿命，同时降低充电器的成本。
　　在使用电池的过程中，我们常会听到电池业者这样的一句话：“电池使用中坏的少，更多的是被充坏的”。这句话我们可以理解为，不正确的充电条件或方法将更容易损害电池、降低电池的寿命。以18650钴酸锂离子电池为例，当充电过温，在70℃左右：电解质界面(SEI)模开始分解并发热；120℃左右：电解质、正极开始热分解，造成析气并使温度迅速上升；在到260℃左右：电池爆炸。或充电过压，以过压5.5V来看，容易使锂金属析出，溶剂被氧化，温度上升，产生恶性循环，甚至电池着火、爆炸。因此，针对如何充电，我们共同来探讨下面几个重要的问题。
　　为什么需要预充功能？
　　电池工作电压从2.5V(碳负极电池:3V，电量为0%)到4.2V(电量为100%)。当电压小于2.5V时，电池放电终止。同时因为放电回路关闭使内部保护电路的电流损耗也降为最低。当然，实际应用中由于不同的内部材质，放电终止电压可在2.5V-3.0V范围。当电压超过4.2V时，充电回路终止，以保护电池安全；而当单体电池工作电压降到3.0V以下，我们即可认为过放电状态，放电回路终止，以保护电池安全。所以电池不用时，应将电池充电20%的电量，再进行防潮保存。
　　由于锂离子电池具有较高的能量比，因此在电池使用中要严格避免过充，过放的现象。过放会导致活性物质的恢复困难，此时如果直接进入快速冲电模式(大电流)，会对电池产生损害，影响使用寿命并可能因此带来安全隐患。先以小电流(C/10)充到2.5V至3.0V，再转换成快充是必要的。
　　虽然目前锂离子电池在应用中都带有保护板，在通常的情况下，发生过放的几率会很小，但不加预充功能，在这两种情况下的情况还是可能带来过放的隐患。一是保护板失效，二是长时间放置(5%-10%/月)的自放电率。因此小电流预充可以有效解决过放电池的充电问题。
　　但是，充电电流并非越大越好。以单体锂离子电池为例，它的充电方式都包括恒流、恒压充电过程，恒压通常为4.2V(以LiCoO2电池为例)，恒流设置值为0.1C～1C。虽然大电流的充电会缩短充电时间，但也会造成电池生命周期的缩短和容量的降低，因此我们需选择恰当的恒流值进行充电。
　　下面是一个4.2V/900mAH LiCoO2电芯的不同电流充电与电池容量的关系曲线(图1)，我们可以看出大约500个充放周期后，小电流充电的电池容量明显大于大电流充电的电池容量。
 

　　恒压充电时的电压精度要求
　　作为高能量密度电池，过充会对锂离子电池造成很大的危害，有可能会膨胀漏液甚至发生爆炸。而且过充容易造成电池里面的电解物质加快反应而造成电池的使用寿命减短，因此准确的恒压值充电对锂离子电池的使用寿命而言有着重要的意义。
　为了更充分地充满电，要保证恒压值和终止电压值的精度在1%之内。以钴酸锂离子电池为例，最好能尽可能接近4.2V，但又不超过4.2V，这种高精度的电压充电法，可以减少钴的溶解，稳定LiCoO2的层状结构，使它的包覆不发生相变，提高循环性能，并保持高容量。此外，即使轻微的过压也会带来两个现象的改变，电池初始容量减小和电池循环寿命降低。
 

　　在多节锂离子电池串联的情况下，为保证获到最大的电池容量和寿命，因此有时甚至要求精度达到0.5%以内。所以说，充电电压的精度控制是锂离子电池充电器的一个关键技术。
　　目前人们对锂电池充电电压有这样一个误解，认为有了电池保护板，在电压精度上不必关心，这是不可取的。因为电池保护板目的是用于对可能的意外事故进行及时的保护，它考虑的比较多的是安全因素，而不是性能因素。比如以4.2V的电芯为例，保护板的过压保护参数是4.30V(有的可能会要4.4V)，假如每次都过充，以4.30V作为充电截止点，电池容量也会很快衰减的。
　　为什么需要充电定时器
　　曾有一家充电器厂商表示，他们以前常碰到充电器用户来退货，说充电器坏了，原因是电池充了一天，电池都充不饱，充电器不转灯，一直是红灯。可厂家对充电器实际测量时，又发现它是正常的，符合出厂要求。这是什么问题呢？这主要是因为这充电器没考虑到电池的老化后自放电变大。如果截止充电的电流设置过小，将使得老化的电池一直达不到充电完成的设置点，从而使得用户产生误判，认为充电器已坏。
　　充电定时器的作用就是防止已损害的或过多循环的锂电池，在充电的截止段，由于自放电过大，使电池难以进入EOC的状态(高于判断电流)，一方面给用户带来电池充不饱的误判，另一方面也可能由于过长时间的充电，带来电池过热发生膨胀，甚至危险。
　　针对这些因素考量，凹凸科技(O2Micro)推出的新型多串锂离子电池充电芯片OZ8981已是一个完善的解决方案。OZ8981是一个专用的充电管理集成芯片，它带精确电压，电流输出和多重保护，并提供六阶段充电控制模式，系统设计方便且成本低。它主要针对用于轻型电动汽车，电动自行车和电动工具上多节锂离子电池包。
 

　　高性价比和高可靠性的OZ8981包含单芯片集成充电控制器，可实现高效的误差放大器输出。它支持0V脉冲充电、预充电、恒流充电、恒压充电、截止充电、自动再充电六阶段智能充电控制。支持对预充电的启动电压、恒流充电值、恒压充电值及截止充电电流值进行灵活设置。
　此外，OZ8981具有高精准充电电压(<1%)和电流(<5%)输出；通过外部电阻调整，电压输出精度可<0.5%。支持双充电定时器保护：预充电定时，恒压充电定时(最大5小时，或不使用)。支持双温度保护：芯片内部温度保护(115℃)，外部过高温保护(默认：44℃)和过低温保护(默认：2℃)。外部温度保护点可外部灵活设置。支持充电过压保护、过流保护、短路保护。支持电池自动接入检测，支持充电状态的直接LED显示。该器件采用通用封装SOP16。
 

　　图4为OZ8981锂离子电池充电曲线图。通过与前端PWM芯片的结合，OZ8981将帮用户快速的实现安全高效且低成本的锂离子电池充电器设计。