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延長使用壽命降低成本的新型充電器設(shè)計

發(fā)布時間:2013-10-15 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】鋰電池要得到更快速的發(fā)展,必須要不斷提高它的安全性和使用壽命,而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。本文討論的一種新型的充電解決方案,不僅可以提高鋰電池的安全性,延長電池使用壽命,還能降低充電器的成本。

鋰電池以其能量密度高、體積小、重量輕等優(yōu)點,在手機、筆記本電腦市場已經(jīng)完全取代其他電池,占有率幾乎達到了100%。目前,鋰電池正迅速延伸至電動工具及其他的應(yīng)用中,它廣闊的市場前景也越來越得到業(yè)界的認(rèn)同。不過,與鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池相比,要更快地推動鋰電池的應(yīng)用和發(fā)展,還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鈷酸鋰電池為例,當(dāng)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。或充電過壓,以過壓5.5V來看,容易使鋰金屬析出,溶劑被氧化,溫度上升,產(chǎn)生惡性循環(huán),甚至電池著火、爆炸。因此,針對如何充電,我們共同來探討下面幾個重要的問題。

為什么需要預(yù)充功能

電池工作電壓從2.5V(碳負極電池:3V,電量為0%)到4.2V(電量為100%)。當(dāng)電壓小于2.5V時,電池放電終止。同時因為放電回路關(guān)閉使內(nèi)部保護電路的電流損耗也降為最低。當(dāng)然,實際應(yīng)用中由于不同的內(nèi)部材質(zhì),放電終止電壓可在2.5V-3.0V范圍。當(dāng)電壓超過4.2V時,充電回路終止,以保護電池安全;而當(dāng)單體電池工作電壓降到3.0V以下,我們即可認(rèn)為過放電狀態(tài),放電回路終止,以保護電池安全。所以電池不用時,應(yīng)將電池充電20%的電量,再進行防潮保存。

由于鋰電池具有較高的能量比,因此在電池使用中要嚴(yán)格避免過充,過放的現(xiàn)象。過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)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安全隱患。先以小電流(C/10)充到2.5V至3.0V,再轉(zhuǎn)換成快充是必要的。

雖然目前鋰電池在應(yīng)用中都帶有保護板,在通常的情況下,發(fā)生過放的幾率會很小,但不加預(yù)充功能,在這兩種情況下的情況還是可能帶來過放的隱患。一是保護板失效,二是長時間放置(5%-10%/月)的自放電率。因此小電流預(yù)充可以有效解決過放電池的充電問題。

但是,充電電流并非越大越好。以單體鋰電池為例,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(shè)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(dāng)?shù)暮懔髦颠M行充電。

新型延長使用壽命降低成本的充電解決方案
圖1:不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線
 
上圖是一個4.2V/900mAHLiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線(圖1),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。
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恒壓充電時的電壓精度要求

作為高能量密度電池,過充會對鋰電池造成很大的危害,有可能會膨脹漏液甚至發(fā)生爆炸。而且過充容易造成電池里面的電解物質(zhì)加快反應(yīng)而造成電池的使用壽命減短,因此準(zhǔn)確的恒壓值充電對鋰電池的使用壽命而言有著重要的意義。

為了更充分地充滿電,要保證恒壓值和終止電壓值的精度在1%之內(nèi)。以鈷酸鋰電池為例,最好能盡可能接近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。此外,即使輕微的過壓也會帶來兩個現(xiàn)象的改變,電池初始容量減小和電池循環(huán)壽命降低。

新型延長使用壽命降低成本的充電解決方案
圖2
 

在多節(jié)鋰電池串聯(lián)的情況下,為保證獲到最大的電池容量和壽命,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電池充電器的一個關(guān)鍵技術(shù)。

目前人們對鋰電池充電電壓有這樣一個誤解,認(rèn)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。因為電池保護板目的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。

為什么需要充電定時器

曾有一家充電器廠商表示,他們以前常碰到充電器用戶來退貨,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??蓮S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(shè)置過小,將使得老化的電池一直達不到充電完成的設(shè)置點,從而使得用戶產(chǎn)生誤判,認(rèn)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,帶來電池過熱發(fā)生膨脹,甚至危險。

針對這些因素考量,凹凸科技(O2Micro)推出的新型多串鋰電池充電芯片OZ8981已是一個完善的解決方案。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(shè)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)鋰電池包。

新型延長使用壽命降低成本的充電解決方案
圖3
 

高性價比和高可靠性的OZ8981包含單芯片集成充電控制器,可實現(xiàn)高效的誤差放大器輸出。它支持0V脈沖充電、預(yù)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(yù)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(shè)置。
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此外,OZ8981有高精準(zhǔn)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(yù)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(rèn):44℃)和過低溫保護(默認(rèn):2℃)。外部溫度保護點可外部靈活設(shè)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。該器件采用通用封裝SOP16。

新型延長使用壽命降低成本的充電解決方案
圖4:OZ8981鋰電池充電曲線圖
新型延長使用壽命降低成本的充電解決方案
圖5

圖4為OZ8981鋰電池充電曲線圖。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電池充電器設(shè)計。

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