锂离子电池特性，充电电路设计

锂电池概况

锂电池的基本原理

• 锂离子/聚合物电池是以锂合金的金属氧化物为阳极材料、以石墨为阴极材料、使用非水电解质的可充电电池。
• 与其它类型的二次电池相比，锂离子电池具有以下优点：重量轻，其能量密度是镍-镉电池的两倍；自放电比镍-镉电池少6〜8倍；没有记忆效应；单元电压大约3.7V，属于较高水平，通常能满足大多数应用的需要。
  

锂电池安全问题

• 锂的化学性质非常活跃，很容易燃烧，当电池放电、充电时，电池内部会持续升温，活化过程中所产生的气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度，如外壳有伤痕，即会破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。
• 为了缓解锂离子电池的危险，加入了能抑制锂元素活跃的成份（比如钴、锰、铁等等），但这些并不能从本质上改变锂离子电池的危险性。
• 普通锂离子电池在过充、短路等情况时候发生时，电池内部可能出现升温、正极材料分解、负极和电解液材料被氧化等现象，进而导致气体膨胀和电池内压加大，当压力达到一定程度后就可能出现爆炸。而聚合物锂离子电池因为使用了胶态电解质，不会因为液体沸腾而产生大量气体，从而杜绝了剧烈爆炸的可能。

锂离子电池基本特性

锂电池放电曲线

• 锂电池的__放电率愈高,电池容量愈低,温度低时,电池容量也会降低__。不同的放电率表现出不同的电池容量，在较高的放电电流下，电池容量达不到额定值，电池电压因为电池的内阻而出现了较大的跌落(C为电池容量，单位Ah)。
  
  

锂电池充电曲线

• 锂离子电池进行充电时的三个阶段：预充电、恒流充电和恒压充电。

1. 第一步，判断电压<3V，要先进行预充电，0.05C电流；
2. 第二步，判断 3V<电压<4.2V，恒流充电0.2C~1C电流
3. 第三步，判断电压>4.2V，恒压充电，电压为4.20V，电流随电压的增加而减少，直到充满。

• 预充电的意义是要对电池的状态进行调整，使之进入可以进行大电流快速充电的状态；恒流充电的作用是将电能快速地储存到电池中，恒压充电阶段则是最后的调整阶段，它使电池的容量最大化。
• 控制锂电池充电停止通常有两种方式：

1. 计时器Timer，即涓流充电至预设的时间，便停止充电
2. $\frac{C}{10}$ 终止，即涓流充电的总电流量到达$\frac{C}{10}$，便停止充电

• 具体充电过程中锂电池两端电压与电流的关系如下图所示：
  

循环寿命

• 循环次数是当一个电池所经历完整充放电的次数，是可由实际放电容量与设计容量来估计。每当累积的放电容量等于设计容量时，则循环次数一次。通常在500次充放电循环后，完全充电的电池容量约会下降 10%〜20%。
  
• 需要注意的是，对于同一块锂电池，在10%DOD深度放电的工况下，可以达到大于1000次的循环寿命；但在100%DOD深度放电的工况下，只能达到大于200次的循环寿命。所以，锂电池推荐__即用即充，即充即用__。

自放电率

• 所有电池的自放电都会随着温度上升而增加。自放电基本上不是制造上的瑕疵，而是电池本身特性。然而制造过程中不当的处理也会造成自放电的增加。通常电池温度每增加10°C，自放电率即倍增。锂离子电池每个月自放电量约为1〜2%。
  

充电温度控制

• 锂电池的工作温度范围是-20〜60℃，电池所处的温度对其充电会有重大影响。通常情况下，温度过低或过高时，应当禁止对电池进行充电操作。正常锂电池充电温度控制在10〜45℃。 有的国家和地区还对电池充电制定了不同温度下的不同策略，日本在此方面是一个典型，特别制订的JEITA规范就要求在温度过低和过高时降低恒流充电电流、恒压充电电压，这一规范恰好与电池的容量随着温度的变化而变化的特性紧密对应.
• 下图显示了单节锂电池充电JEITA规范：
  

1. 温度低于T1时，不适于锂电池进行充电，停止充电。
2. 在低温时（T1-T2）,锂离子反应缓慢，持续大电流充电时会产生大量热量加快电池老化，规划规定在此范围内充电电流降至0.5C。
3. 在T2-T3温度范围内，充电电流和充电电压上限都在正常范围。
4. 在高温时（T3-T5）, 如果充电期间电池表面温度升至 T3 以上，阴极材料开始变得更加活跃，会在电池电压升高时与电解质产生化学反应，温度过高会发生爆炸。因此在高温时需要降低截至电压，T3-T4阶段，最大截至电压为4.15V。T4-T5阶段，最大截至电压为4.1V，使用低充电压确保电池安全性。
5. 当温度大于T5时，不适于锂电池进行充电，停止充电。

过冲过放保护

• 锂离子电池在使用中最重要的是要确保它不会被过度充电和放电，这两种行为对它的伤害都是不可修复的，甚至可能还是危险的，因为它的内部材料结构被破坏了，什么问题都可能表现出来。
• 对于锂电池而言，超常时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏。从分子层面看，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。

锂电池充放电方案

• 针对锂电池充放电过程中对电流、电压、温度的诸多限制，故需要使用相应的锂电池充放电芯片对充放电过程进行管理。下面具体介绍一种电池保护芯片和两种充电芯片。

电池保护芯片

• TI公司的bq2980xy是一款适用于快充/闪充式单节锂离子电池和锂聚合物电池的具有集成式
  高侧 NFET 驱动器的电压、电流、温度保护器。
• 具体特征：

1. 电压保护： 过压 (OV)：±10mV；欠压 (UV)：±20mV
2. 电流保护：充电过流 (OCC)：±1mV；放电过流 (OCD)：±1mV；放电短路 (SCD)：±5mV
3. 温度保护：过热 (OT)；低温 (UT)
   

线性电池充电器

• LINEAR的LTC1733是一款具有热调整功能的单片线性锂离子电池充电器。
• LTC@1733是一独立的恒流/恒压线性充电器，内含功率MOSFET，适用于锂离子电池。内部的热反馈可调整充电电流，以便在大功率工作或环境温度高的条件下限制硅片温度。该功能使用户可设定一个大充电电流，而不会有损害LTC1733或手持产品的危险。
• 由于采用了内部MOSFET的结构，因此无需外部电流检测电阻和隔离二极管。充电电流和充电时间可在外部分别利用一个电阻和一个电容来设置。
• 当输入电源（交流适配器）被拿掉时，LTC1733自动进入一低电流睡眠模式，将电池漏电流降至5uA以下。
• LTC1733还包括NTC温度检测、C/10检测电路、AC适配器接入的逻辑信号、41V/4.2V引脚选择功能以及电池低压充电条件（涓流充电）。
• LTC1733采用10引脚热增强型MSOP封装。
  

开关电池充电器

• LINEAR的LTC4001是一款2A同步Buck锂离子电池开关充电器。
• LTC4001-1是一款2A锂电池充电器，旨在用于5V墙上适配器。它利用1.5MHz同步降压转换器拓扑来减少充电过程中的功耗。LTC4001-1包括完整的充电终止电路，自动充电过程控制，输入短路保护和±1％的4.1V浮动电压。
• LTC4001的4.1V模式适用于将在60℃以上的温度下的应用。在这种情况下，会降低充电电压以保证电池的使用寿命。降低的充电电压还可以将方形电池和聚合物电池的溶胀降至最低，并避免CID（压力保险丝）断开。
• 电池充电电流，充电超时和充电结束指示参数由外部组件设置。其他功能包括电池短路检测，温度调节，
  具有合格的充电和过压保护功能。 LTC4001-1采用扁平（0.75mm）16引脚的产品（4mm×4mm）QFN封装。
  

参考：
和电源大咖一起夯基础（第二部分）
锂离子电池基本特性
bq2980xy 适用于快充/闪充式单节锂离子电池和锂聚合物电池的具有集成式高侧 NFET 驱动器的电压、电流、温度保护器
LTC1733是一款具有热调整功能的单片线性锂离子电池充电器
LTC4001是一款2A同步Buck锂离子电池开关充电器