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(chǎng)，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(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)、及其他的應用中，它廣闊的市場(chǎng)前景也越來(lái)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(dòng)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(cháng)電池使用壽命，同時(shí)降低充電器的成本。
在使用電池的過(guò)程中，我們常會(huì )聽(tīng)到電池業(yè)者這樣的一句話(huà)：“電池使用中壞的少，更多的是被充壞的”。這句話(huà)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(guò)溫，在70℃左右：電解質(zhì)界面(SEI)模開(kāi)始分解并發(fā)熱；120℃左右：電解質(zhì)、正極開(kāi)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(guò)壓，以過(guò)壓5.5V來(lái)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(zhù)火、爆炸�？梢�(jiàn)惡劣的充電方法會(huì )對電池特性產(chǎn)生嚴重的影響。
因此，關(guān)于如何充電，我們共同來(lái)探討下面的幾個(gè)重要的問(wèn)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(shí)，放電終止。同時(shí)內部保護電路的電流損耗也降為最低(放電回路關(guān)閉)。當然,實(shí)際應用中，由于不同的內部材質(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(guò)4.2V時(shí)，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(guò)放電狀態(tài)，放電回路終止，以保護電池安全。電池不用時(shí)，應將電池充電到保有20%的電量，再進(jìn)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(guò)充過(guò)放的現象。過(guò)放會(huì )導致活性物質(zhì)的恢復困難，此時(shí)如果直接進(jìn)入快速沖電模式(大電流)，會(huì )對電池產(chǎn)生損害，影響使用壽命，并可能因此帶來(lái)隱形危險。先以小電流(C/10)充到2.5V或3.0V，再轉換成快充是必要的；
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(guò)放的幾率會(huì )很小，但不加預充功能，在以下的情況還是可能帶來(lái)過(guò)放的隱患：
保護板失效；
長(cháng)時(shí)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(guò)放電池的充電問(wèn)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(guò)程，恒壓通常為4.2V(以L(fǎng)iCoO2電池為例)，恒流設置值為0.1C ~ 1C。雖然大電流的充電會(huì )縮短充電時(shí)間，但也會(huì )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的恒流值進(jìn)行充電。
下面是一個(gè)4.2V/900mAH LiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線(xiàn)(參圖一)，我們可以看出大約500個(gè)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(shí)的電壓精度要求？
作為高能量密度的電池，過(guò)充對鋰離子電池有著(zhù)很大的危害，有可能會(huì )膨脹和漏液，往往也會(huì )發(fā)生爆炸，而且過(guò)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(zhù)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。以鈷酸鋰離子電池為例，最好盡可能接近4.2V，但又不超過(guò)4.2V，這種高精度的電壓充電法，可以減少鈷的溶解，穩定LiCoO2的層狀結構，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(xué)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(guò)壓也會(huì )帶來(lái)兩個(gè)現象的改變：（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(shí)1%的精度也不能滿(mǎn)足應用的要求, 因此有時(shí)甚至要求精度達到0.5%以?xún)取?所以說(shuō), 充電電壓的精度控制是鋰離子電池充電器的一個(gè)關(guān)鍵。
目前對鋰電池充電電壓有這樣一個(gè)誤解，認為有了電池保護板，在電壓精度上不必關(guān)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(jìn)行及時(shí)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(guò)壓保護參數是4.30V（有的可能會(huì )要4.4V),假如每次都過(guò)充，以4.30V作為充電截止點(diǎn),電池容量也會(huì )很快衰減的。
（4）為什么需要充電定時(shí)器？
曾有一充電器廠(chǎng)家跟我講，他們以前常碰到過(guò)來(lái)退貨的充電器用戶(hù)說(shuō)充電器壞了，原因是電池充了一天，電池都充不飽，充電器不轉燈，一直是紅燈�？蓮S(chǎng)家對充電器實(shí)際測量時(shí)，又發(fā)現它是正常的，符合出廠(chǎng)要求。這是什么問(wèn)題呢？這主要是因為這充電器沒(méi)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(guò)小，將使得老化的電池一直達不到充電完成的設置點(diǎn)，從而使得用戶(hù)產(chǎn)生誤判，認為充電器已壞。
充電定時(shí)器的作用就是防止已損害的或過(guò)多循環(huán)的鋰電池，在充電的截止段，由于自放電過(guò)大，使電池難以進(jìn)入EOC的狀態(tài)(高于判斷電流)，一方面給用戶(hù)帶來(lái)電池充不飽的誤判，另一方面也可能由于過(guò)長(cháng)時(shí)間的充電，帶來(lái)電池過(guò)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(gè)專(zhuān)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，系統設計方便且成本低。它主要針對用于輕型電動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)工具上多節鋰離子電池包。
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(dòng)再充電六階段智能充電控制
·支持對預充電的啟動(dòng)電壓、恒流充電值、恒壓充電值及截止充電電流值進(jìn)行靈活設置
·高精準充電電壓(<1%)和電流(<5%)輸出；通過(guò)外部電阻調整，電壓輸出精度可<0.5%
·支持雙充電定時(shí)器保護--預充電定時(shí), 恒壓充電定時(shí)（最大: 5小時(shí), 或不使用)
·支持雙溫度保護--芯片內部溫度保護(115℃), 外部過(guò)高溫保護(默認：44℃)和過(guò)低溫保護(默認：2℃)，外部溫度保護點(diǎn)可外部靈活設置
·支持充電過(guò)壓保護, 過(guò)流保護，短路保護
·支持電池自動(dòng)接入檢測
·支持充電狀態(tài)的直接LED顯示
·高性?xún)r(jià)比, 高可靠性
·通用封裝：SOP16
OZ8981鋰離子電池充電曲線(xiàn)圖：
通過(guò)與前端PWM芯片的結合，OZ8981將幫用戶(hù)快速的實(shí)現安全高效且低成本的鋰離子電池充電器設計。
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