锂离子電(diàn)池的充電(diàn)方法

2021-08-26

锂离子電(diàn)池的充電(diàn)方法

锂离子電(diàn)池是消费電(diàn)子产品中最常用(yòng)的電(diàn)池。在之前使用(yòng)的其他(tā)类型中，用(yòng)于電(diàn)子设备的镍镉電(diàn)池已被欧盟禁止使用(yòng)，因此对这些类型的总體(tǐ)需求已经下降。

镍氢電(diàn)池仍在使用(yòng)，但其较低的能(néng)量密度和成本效益比使它们没有(yǒu)吸引力。

锂离子電(diàn)池运营与建设

锂离子電(diàn)池被认為(wèi)是二次電(diàn)池，这意味着它们是可(kě)充電(diàn)的。最常见的类型包括由涂在铜基板或集電(diàn)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(kě)将两个電(diàn)极電(diàn)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(yòng)各种其他(tā)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(yòng)于電(diàn)池的类型描述。

因此，钴酸锂阴极電(diàn)池被称為(wèi)LCO電(diàn)池。锂镍锰钴氧化物(wù)类型称為(wèi) NMC 类型，具有(yǒu)磷酸铁锂阴极的電(diàn)池称為(wèi) LFP 電(diàn)池。

图 1 – 典型锂离子電(diàn)池的主要组件

在实际的锂离子電(diàn)池中，这些层通常紧紧缠绕在一起，而電(diàn)解液虽然是液體(tǐ)，但几乎不足以润湿電(diàn)极，并且内部没有(yǒu)液體(tǐ)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電(diàn)池的实际内部结构。其他(tā)流行的外壳类型是圆柱形和袋状（通常称為(wèi)聚合物(wù)電(diàn)池）。

该图中未显示连接到每个集電(diàn)器的金属片。这些接線(xiàn)片是与電(diàn)池的電(diàn)气连接，本质上是電(diàn)池端子。

图 2 – 棱柱形锂离子電(diàn)池的典型内部结构

為(wèi)锂离子電(diàn)池充電(diàn)涉及使用(yòng)外部能(néng)源将带正電(diàn)的锂离子从阴极驱动到阳极電(diàn)极。因此，阴极带负電(diàn)，阳极带正電(diàn)。

在外部，充電(diàn)涉及電(diàn)子从阳极侧移动到充電(diàn)源，并且将相同数量的電(diàn)子推入阴极。这与锂离子的内部流动方向相反。

在放電(diàn)期间，外部负载连接在電(diàn)池端子上。储存在阳极中的锂离子移动回阴极。在外部，这涉及電(diàn)子从阴极到阳极的移动。因此，電(diàn)流流过负载。

简而言之，例如，在充電(diàn)过程中電(diàn)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(yǒu)化學(xué)稳定性的化合物(wù)。

在阳极侧，这些锂离子嵌入或嵌入石墨分(fēn)子晶格的间隙空间中。

在充電(diàn)和放電(diàn)过程中必须考虑几个问题。在内部，锂离子在充電(diàn)和放電(diàn)过程中必须穿过多(duō)个界面。例如，在充電(diàn)过程中，锂离子必须从大部分(fēn)阴极传输到阴极和電(diàn)解质界面。

从那里它必须穿过電(diàn)解液，穿过隔板到达電(diàn)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體(tǐ)。

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

这实际上意味着在充電(diàn)和放電(diàn)过程中必须采取预防措施以确保不超过这些限制。

锂离子電(diàn)池充電(diàn)注意事项

為(wèi)锂离子電(diàn)池充電(diàn)需要特殊的充電(diàn)算法。这分(fēn)以下几个阶段进行：

涓流充電(diàn)（预充電(diàn)）

如果電(diàn)池充電(diàn)水平非常低，则以降低的恒定電(diàn)流速率充電(diàn)，该速率通常约為(wèi)下面描述的全速率充電(diàn)速率的 1/10。

在此期间，電(diàn)池電(diàn)压增加，当达到给定阈值时，充電(diàn)速率增加到完全充電(diàn)速率。

请注意，一些充電(diàn)器将这个涓流充電(diàn)阶段分(fēn)為(wèi)两个阶段：预充電(diàn)和涓流充電(diàn)，具體(tǐ)取决于最初的電(diàn)池電(diàn)压有(yǒu)多(duō)低。

全额收费

如果電(diàn)池電(diàn)压最初足够高，或者如果電(diàn)池已经充電(diàn)到这一点，则开始满充電(diàn)率阶段。

这也是一个恒流充電(diàn)阶段，在这个阶段電(diàn)池電(diàn)压继续缓慢上升。

锥形電(diàn)荷

当電(diàn)池電(diàn)压上升到其最大充電(diàn)電(diàn)压时，逐渐开始充電(diàn)阶段。在这个阶段，充電(diàn)電(diàn)压保持恒定。

这很(hěn)重要，因為(wèi)如果允许以高于最大電(diàn)压的電(diàn)压充電(diàn)，锂离子電(diàn)池将发生灾难性故障。如果这个充電(diàn)電(diàn)压保持在这个最大值不变，那么充電(diàn)電(diàn)流就会慢慢减小(xiǎo)。

截止/终止

当充電(diàn)電(diàn)流降低到足够低的值时，充電(diàn)器与電(diàn)池断开连接。该值通常是全速率充電(diàn)電(diàn)流的 1/10 或 1/20。

重要的是不要对锂离子電(diàn)池进行浮充，因為(wèi)从長(cháng)遠(yuǎn)来看，这会降低電(diàn)池的性能(néng)和可(kě)靠性。

虽然上一节描述了各个充電(diàn)阶段，但没有(yǒu)提供各个阶段的具體(tǐ)阈值。从電(diàn)压开始，每种锂离子電(diàn)池类型都有(yǒu)自己的满充電(diàn)端電(diàn)压。

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

对于 LFP 类型，它是 3.65V。LCO/NMC 和 LFP 类型的涓流充電(diàn)至满充電(diàn)阈值分(fēn)别约為(wèi) 3.0 和 2.6。

设计用(yòng)于為(wèi)一种类型的锂离子電(diàn)池（例如 LCO）充電(diàn)的充電(diàn)器不能(néng)用(yòng)于為(wèi)另一种类型（例如 LFP 電(diàn)池）充電(diàn)。

但是请注意，有(yǒu)些充電(diàn)器可(kě)以配置為(wèi)对多(duō)种类型进行充電(diàn)。这些通常需要充電(diàn)器设计中的不同组件值以适应每种类型的電(diàn)池。

说到充電(diàn)電(diàn)流，需要稍微解释一下。锂离子電(diàn)池容量传统上以 mAh、毫安-小(xiǎo)时或 Ah 為(wèi)单位报告。该单位本身实际上并不是储能(néng)容量单位。要获得实际的能(néng)量容量，必须考虑電(diàn)池電(diàn)压。

图 3 显示了 LCO 型锂离子電(diàn)池的典型放電(diàn)曲線(xiàn)。由于放電(diàn)電(diàn)压具有(yǒu)斜率，因此取整条放電(diàn)曲線(xiàn)的平均電(diàn)池電(diàn)压為(wèi)電(diàn)池電(diàn)压。

对于 LCO 类型，该值通常為(wèi) 3.7 至 3.85V，对于 LFP 类型，该值通常為(wèi) 2.6V。将 mAh 值与電(diàn)池的平均電(diàn)压相乘，即可(kě)得出给定電(diàn)池的 mWh 或能(néng)量存储容量。

電(diàn)池充電(diàn)電(diàn)流以 C-rate 表示，其中 1C 在数值上与以 mA 為(wèi)单位的電(diàn)池容量相同。因此，一块 1000mAh 的電(diàn)池具有(yǒu) 1000mA 的 C 值。由于各种原因，锂离子電(diàn)池允许的最大充電(diàn)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，一个電(diàn)池可(kě)以由最少一个電(diàn)池组成，但也可(kě)以由多(duō)个電(diàn)池组成，这些電(diàn)池是串联连接的并联電(diàn)池组的组合。

之前给出的场景适用(yòng)于单节電(diàn)池。在電(diàn)池由多(duō)个電(diàn)池组成的情况下，充電(diàn)電(diàn)压和充電(diàn)電(diàn)流必须按比例调整以匹配。

因此，充電(diàn)電(diàn)压乘以串联连接的電(diàn)池或電(diàn)池组的数量，并且类似地，充電(diàn)電(diàn)流乘以每个串联连接的组中的并联连接的電(diàn)池的数量。

图 3 – LCO 型電(diàn)池的典型放電(diàn)曲線(xiàn)

為(wèi)锂离子電(diàn)池充電(diàn)时必须考虑的一个非常重要的附加因素是温度。锂离子電(diàn)池不能(néng)在低温或高温下充電(diàn)。

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(yòng)枝晶的形式，它可(kě)能(néng)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(duō)的热量。電(diàn)池充電(diàn)不是 100% 有(yǒu)效，充電(diàn)过程中会产生热量。如果核心的内部温度过高，電(diàn)解质可(kě)能(néng)会部分(fēn)分(fēn)解，并变成气态副产物(wù)。这会导致電(diàn)池容量永久降低以及膨胀。

对于优质電(diàn)池，锂离子電(diàn)池充電(diàn)的典型温度范围為(wèi) 0°C 至 45°C，对于较便宜的電(diàn)池，充電(diàn)温度范围约為(wèi) 8°C 至 45°C。一些電(diàn)池还允许在更高的温度下充電(diàn)，最高可(kě)达约 60°C，但充電(diàn)速率会降低。

所有(yǒu)这些考虑通常都由专用(yòng)充電(diàn)器芯片来满足，强烈建议使用(yòng)此类芯片，而不管实际充電(diàn)源如何。

锂离子充電(diàn)器

锂离子充電(diàn)器大致分(fēn)為(wèi)两大类：線(xiàn)性充電(diàn)器和开关充電(diàn)器。这两种类型都可(kě)以满足先前关于锂离子電(diàn)池正确充電(diàn)的要求。但是，它们各有(yǒu)优缺点。

線(xiàn)性充電(diàn)器的优点是相对简单。然而，它的主要缺点是效率低下。例如，如果電(diàn)源電(diàn)压為(wèi) 5V，電(diàn)池電(diàn)压為(wèi) 3V，充電(diàn)電(diàn)流為(wèi) 1A，则線(xiàn)性充電(diàn)器将消耗 2W。

如果将此充電(diàn)器嵌入产品中，则必须散发大量热量。这就是為(wèi)什么線(xiàn)性充電(diàn)器多(duō)用(yòng)于最大充電(diàn)電(diàn)流在1A左右的情况。

对于大電(diàn)池，首选开关充電(diàn)器。在某些情况下，它们的效率水平可(kě)达 90%。缺点是其成本较高，并且由于在其设计中使用(yòng)了電(diàn)感器，因此需要较大的電(diàn)路空间。

充電(diàn)源考虑

不同的应用(yòng)可(kě)能(néng)需要不同的充電(diàn)源。例如，这可(kě)以是提供直流输出的直通交流适配器或移动電(diàn)源。它也可(kě)以是来自台式机或类似设备的 USB 端口。它也可(kě)能(néng)来自太阳能(néng)電(diàn)池板组件。

由于这些不同電(diàn)源的功率传输能(néng)力，除了简单地选择線(xiàn)性或开关充電(diàn)器之外，还必须进一步考虑实际電(diàn)池充電(diàn)器電(diàn)路的设计。

最直接的情况是充電(diàn)源提供稳压直流输出，例如交流适配器或移动電(diàn)源。唯一的要求是选择不超过電(diàn)池最大充電(diàn)速率或電(diàn)源供電(diàn)能(néng)力的充電(diàn)電(diàn)流。

从 USB 源充電(diàn)需要多(duō)加注意。如果 USB 端口是 USB 2.0 类型，那么它将遵循 USB 電(diàn)池充電(diàn)标准 1.2 或 BC 1.2。

这要求任何负载（在这种情况下是電(diàn)池充電(diàn)器）的電(diàn)流不应超过 100 mA，除非负载已与電(diàn)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(kě)以遵循 USB BC1.2，或者可(kě)以在设计中加入一个有(yǒu)源控制器電(diàn)路，以根据 USB Power Delivery 或 USB PD 协议协商(shāng)更多(duō)功率。

作為(wèi)充電(diàn)源的太阳能(néng)電(diàn)池提出了另一组挑战。太阳能(néng)電(diàn)池電(diàn)压-電(diàn)流或 VI 有(yǒu)点类似于普通二极管的電(diàn)压-電(diàn)流。普通二极管不会传导任何低于其最小(xiǎo)正向電(diàn)压值的明显電(diàn)流，然后可(kě)以通过更大的電(diàn)流，而正向電(diàn)压仅略有(yǒu)增加。

另一方面，太阳能(néng)電(diàn)池可(kě)以在相对平坦的電(diàn)压下提供電(diàn)流直到某个最大值。超过该電(diàn)流值，電(diàn)压急剧下降。

因此，太阳能(néng)充電(diàn)器必须有(yǒu)一个電(diàn)源管理(lǐ)電(diàn)路来调节从太阳能(néng)電(diàn)池汲取的電(diàn)流，以免导致输出電(diàn)压过低。

幸运的是，TI BQ2407x、BQ24295 等芯片可(kě)以容纳上述多(duō)个来源之一。

强烈建议花(huā)时间寻找合适的充電(diàn)芯片，而不是从头开始设计電(diàn)池充電(diàn)器。