中心議題：

• 決定鋰離子電池周期壽命或服務壽命的因素
• 鋰離子充電係統注意事項
• 鋰離子電池充電終止方法
• 鋰離子充電應用實例

解決方案：

• 鋰離子充電線性解決方案
• 鋰離子充電周期波形分析
• 開關式充電解決方案

在有些應用中
，較長的電池壽命、較多的充電次數或較安全的電池比電池容量更重要。本文介紹幾種可以極大延長電池壽命的鋰離子電池充電和放電方法。

幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)高(gao)性(xing)能(neng)便(bian)攜(xie)式(shi)產(chan)品(pin)都(dou)會(hui)使(shi)用(yong)包(bao)括(kuo)鋰(li)離(li)子(zi)聚(ju)合(he)物(wu)電(dian)池(chi)在(zai)內(nei)的(de)可(ke)再(zai)充(chong)電(dian)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)與(yu)其(qi)他(ta)可(ke)再(zai)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)相(xiang)比(bi)，鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)、較高的電池電壓、自放電少
、周期壽命非常長，而且環保
，且充電和維護簡單。另外，由於其具有相對高的電壓（2.9V至4.2V），因此很多便攜式產品都能用單節電池工作，從而簡化了產品總體設計。C速率等於特定條件下的充電或放電電流，定義如下：I=M×Cn

其中：I = 充電或放電電流，單位為A；M = C的倍數或分數；C = 額定容量的數值，單位為Ah；N = 小時數（對應於C）。

以1倍C速率放電的電池將在一個小時內釋放標稱的額定容量。例如，如果標稱容量是1000mAhr,那麼1C的放電速率對應於1000mA的放電電流，C/10的速率對應100mA的放電電流。

通常生產商標定的電池容量都是指n=5時


，即5小時放電的容量。例如，上述電池在200mA恒流放電時能夠提供5小時的工作時間。理論上該電池在1000mA恒流放電時能夠提供1小時的工作時間。然而實際上由於大電池放電時效能降低，此時的工作時間將小於1小時。

給鋰離子電池充電的推薦方法是，向電池提供一個±1%限壓的恒定電流，直到電池充滿電，然後停止充電。用來決定電池何時充滿電的方法包括：給總的充電時間定時、監視充電電流或兼用這兩種方法。第一種方法采用限壓恒定電流，變化範圍從C/2到1C,持續2.5至3小時
，使電池達到100%充(chong)電(dian)。也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)較(jiao)低(di)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)，但(dan)是(shi)將(jiang)需(xu)要(yao)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)。第(di)二(er)種(zhong)方(fang)法(fa)與(yu)第(di)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)類(lei)似(si)，隻(zhi)是(shi)需(xu)要(yao)監(jian)視(shi)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)。隨(sui)著(zhe)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)，電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)
，這(zhe)與(yu)采(cai)用(yong)第(di)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)時(shi)完(wan)全(quan)相(xiang)同(tong)。電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)編(bian)程(cheng)限(xian)壓(ya)值(zhi)（也稱為浮動電壓）時，充電電流開始下降。電流一開始下降時，電池約充電至容量的50%至60%.浮動電壓繼續提供，直到充電電流降至足夠低的水平（C/10至C/20），這時電池約充電至容量的92%至99%,充電周期終止。目前，要為標準鋰離子電池快速充電（不到1小時）至容量的100%,還沒有一種安全的方法。

有些鋰離子電池充電器允許使用熱敏電阻監視電池溫度。這麼做的主要目的是，如果電池溫度超出推薦的0℃至40℃窗口範圍
，就禁止充電。與鎳鎘或鎳氫金屬電池不同，鋰離子電池在充電時溫度上升非常少。圖1是一個典型的鋰離子電池充電曲線
，圖中顯示了充電電流
、電池電壓和電池容量隨時間的變化。那麼怎樣才能正確地為鋰離子電池充電呢
？鋰離子電池最適合的充電過程可以分為四個階段：涓流充電、恒流充電
、恒壓充電以及充電終止。參考圖1.

階段1:涓流充電--涓流充電用來先對完全放電的電池單元進行預充（恢複性充電）。在電池電壓低於3V左右時
，先采用最大0.1C的恒定電流對電池進行充電。
階段2:恒流充電--當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之zhi間jian。恒heng流liu充chong電dian時shi的de電dian流liu並bing不bu要yao求qiu十shi分fen精jing確que，準zhun恒heng定ding電dian流liu也ye可ke以yi。在zai線xian性xing充chong電dian器qi設she計ji中zhong，電dian流liu經jing常chang隨sui著zhe電dian池chi電dian壓ya的de上shang升sheng而er上shang升sheng，以yi盡jin量liang減jian輕qing傳chuan輸shu晶jing體ti管guan上shang的de 散熱問題。大於1C的de恒heng流liu充chong電dian並bing不bu會hui縮suo短duan整zheng個ge充chong電dian周zhou期qi時shi間jian
，因yin此ci這zhe種zhong做zuo法fa不bu可ke取qu。當dang以yi更geng高gao電dian流liu充chong電dian時shi，由you於yu電dian極ji反fan應ying的de過guo壓ya以yi及ji電dian池chi內nei部bu阻zu抗kang上shang的de電dian壓ya上shang升sheng，電dian池chi電dian壓ya會hui更geng快kuai速su地di上shang升sheng。恒heng流liu充chong電dian階jie段duan會hui變bian短duan
，但dan由you於yu下xia麵mian恒heng壓ya充chong電dian階jie段duan的de時shi間jian會hui相xiang應ying增zeng加jia，因yin此ci總zong的de充chong電dian周zhou期qi時shi間jian並bing不bu會hui縮suo短duan。
階段3:恒壓充電-- 當電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結束，開始恒壓充電階段。為使性能達到最佳，穩壓容差應當優於+1%.
階段4:充電終止--與(yu)鎳(nie)電(dian)池(chi)不(bu)同(tong)
，並(bing)不(bu)建(jian)議(yi)對(dui)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)連(lian)續(xu)涓(juan)流(liu)充(chong)電(dian)。連(lian)續(xu)涓(juan)流(liu)充(chong)電(dian)會(hui)導(dao)致(zhi)金(jin)屬(shu)鋰(li)出(chu)現(xian)極(ji)板(ban)電(dian)鍍(du)效(xiao)應(ying)。這(zhe)會(hui)使(shi)電(dian)池(chi)不(bu)穩(wen)定(ding)



，並(bing)且(qie)有(you)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)突(tu)然(ran)的(de)自(zi)動(dong)快(kuai)速(su)解(jie)體(ti)。

有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時器（或者兩者的結合）。最小電流法監視恒壓充電階段的充電電流，並在充電電流減小到0.02C至0.07C範圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時
，持續充電兩個小時後終止充電過程。

上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口（通常為0℃至45℃），那麼充電會暫停。
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1 決定鋰離子電池周期壽命或服務壽命的因素

不存在任何延長或縮短電池壽命的單一因素
，而常常是幾種因素合起來發揮作用。就延長周期壽命而言有以下方法可以延長電池壽命：

1).采用部分放電的做法。在再充電前僅使用20%或30%的電池容量會極大延長周期壽命。作為一個一般性的規則，5至10個淺放電周期等於1個滿放電周期。盡管部分放電周期可能達到數千次

，但是保持電池處於滿充電狀態也縮短電池壽命。如果可能，應該避免滿放電周期（降至2.5V或3V,取決於化學材料）。

2).避免充電至容量的100%.選擇一個較低的浮動電壓可以做到這一點。降低浮動電壓將提高周期壽命和服務壽命
，代價是降低電池容量。浮動電壓降低100mV至300mV可以將周期壽命延長2至5beihuogengchang。yuqitahuaxuecailiaoxiangbi，liliziguhuaxuecailiaoduijiaogaofudongdianyagengmingan。linsuanlilizidianchiyibanbigengchangjiandelilizidianchidefudongdianyadi。

3). 選擇合適的充電終止方法。選擇一個采用最小充電電流終止（C/10或C/x）的充電器，通過不充電到容量的100%,也可以延長電池壽命。例如
，電流降至C/5時結束充電周期與將浮動電壓降至4.1V的效果類似。在這兩種情況下，電池都隻充電至約為容量的85%,這是決定電池壽命的一個重要因素。

4).限製電池溫度。限製電池的極限溫度可以延長電池壽命，尤其是禁止在0℃以下充電。在0℃yixiachongdiancujinjinshuzaidianchiyangjishangdedufu，zhekenengzaochengneibuduanlu
，chanshengreliangbingshidianchibuwendinghebuanquan。henduodianchichongdianqidouyouceliangdianchiwendudezhuangzhi

，yiquebaobuhuizaijixianwendushichongdian。

5).避bi免mian大da的de充chong電dian和he放fang電dian電dian流liu，因yin為wei這zhe會hui縮suo短duan周zhou期qi壽shou命ming。有you些xie化hua學xue材cai料liao更geng適shi合he較jiao大da電dian流liu，如ru鋰li離li子zi錳meng和he磷lin酸suan鋰li離li子zi電dian池chi。大da電dian流liu給gei電dian池chi施shi加jia了le過guo大da的de壓ya力li。

6).避免低於2V或2.5Vdeshendufangdian，yinweizhehuixunsuyongjiuxingsunhuaililizidianchi。kenengfashengneibujinshudufu，zhehuiyinqiduanlu，shidianchibukeyonghuobuanquan。daduoshulilizidianchizaidianchizuneibudouyoudianzidianlu，ruguochongdianhuofangdianshidianchidianyadiyu2.5V
、超過4.3V或如果電池電流超過預定門限值，該電子電路就會斷開電池連接。

2 鋰離子充電--係統注意事項

要快速可靠地完成充電過程需要一個高性能的充電係統。為實現可靠且經濟高效的解決方案
，設計時應當考慮到以下係統參數：

2.1 輸入源
許多應用都采用極廉價的牆式適配器作為輸入電源。其輸出電壓主要依賴於交流輸入電壓和從牆式適配器流出的負載電流。

在美國標準的牆麵插座上交流母線輸入電壓的變化範圍一般為90VRMS至132VRMS.假設額定輸入電壓為120VRMS,容差為+10%, ?25%.充電器必須為電池提供適當的穩壓措施，從而不受輸入電壓的影響。充電器的輸入電壓與交流母線電壓和充電電流成比例：

VO=2VIN×a-1O（REQ+RPTC）-2×VFD

REQ是次級繞組的電阻與初級繞組反射電阻的和。RPTC是PTC的電阻
，VFD是橋式整流器的前向壓降。此外變壓器磁芯損失也會使輸出電壓略有降低。

利用汽車適配器充電的應用也會遇到類似的問題。汽車適配器的輸出電壓典型範圍為9V至18V.

2.2 恒流充電的速率和精度
特te定ding應ying用yong的de拓tuo撲pu結jie構gou選xuan擇ze可ke能neng要yao由you充chong電dian電dian流liu來lai決jue定ding。出chu於yu尺chi寸cun和he成cheng本ben方fang麵mian的de考kao慮lv
，低di檔dang和he中zhong檔dang的de快kuai速su充chong電dian應ying用yong則ze傾qing向xiang於yu采cai用yong線xian性xing解jie決jue方fang案an，然ran 而er線xian性xing解jie決jue方fang案an會hui以yi熱re的de形xing式shi損sun失shi更geng多duo能neng耗hao。對dui於yu線xian性xing充chong電dian係xi統tong來lai說shuo，恒heng流liu充chong電dian的de容rong差cha變bian得de極ji為wei重zhong要yao。如ru果guo穩wen壓ya容rong差cha太tai大da，傳chuan輸shu晶jing體ti管guan和he其qi他ta元yuan器qi件jian都dou需xu要yao更geng大da體ti 積，從而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充電電流過小
，整個充電周期將會延長。

2.3 輸出電壓的穩定精度
為wei了le盡jin可ke能neng地di充chong分fen利li用yong電dian池chi容rong量liang
，輸shu出chu電dian壓ya穩wen壓ya精jing度du非fei常chang關guan鍵jian。輸shu出chu電dian壓ya精jing度du的de小xiao幅fu度du下xia降jiang也ye會hui導dao致zhi電dian池chi容rong量liang的de大da幅fu減jian少shao。然ran而er出chu於yu安an全quan和he可ke靠kao性xing方fang麵mian的de考kao慮lv，輸shu出chu電dian壓ya也ye不bu能neng隨sui意yi設she置zhi得de過guo高gao。圖tu2顯示出了輸出電壓穩定精度的重要性。

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3 充電終止方法

毋庸置疑，過充始終是鋰離子電池充電的心頭大患。準確的充電終止方法對於安全可靠的充電係統來說非常關鍵。

3.1 電池溫度監控
一般情況下


，鋰離子電池充電時的溫度範圍應當在0℃至45℃。在此溫度範圍之外對電池充電會導致電池過熱。在充電周期中，電池內的壓力上升還會 導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)膨(peng)脹(zhang)。隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)，壓(ya)力(li)也(ye)會(hui)過(guo)大(da)，這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)的(de)機(ji)械(xie)破(po)裂(lie)或(huo)材(cai)料(liao)泄(xie)漏(lou)，嚴(yan)重(zhong)時(shi)還(hai)有(you)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)爆(bao)炸(zha)。在(zai)此(ci)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)之(zhi)外(wai) 對電池充電還會損害電池的性能，或縮短電池的預期壽命。

通(tong)常(chang)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)包(bao)內(nei)都(dou)采(cai)用(yong)了(le)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)來(lai)準(zhun)確(que)測(ce)量(liang)電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)。充(chong)電(dian)器(qi)檢(jian)測(ce)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)的(de)阻(zu)值(zhi)，當(dang)阻(zu)值(zhi)超(chao)出(chu)規(gui)定(ding)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)，即(ji)溫(wen)度(du)超(chao)過(guo)規(gui)定(ding)範(fan)圍(wei)時(shi)，充(chong)電(dian)被(bei)禁(jin)止(zhi)。

3.2 電池放電電流或反向泄漏電流
在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)中(zhong)

，即(ji)使(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)不(bu)存(cun)在(zai)，充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)仍(reng)然(ran)與(yu)電(dian)池(chi)相(xiang)連(lian)。充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)保(bao)證(zheng)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)不(bu)存(cun)在(zai)時(shi)，從(cong)電(dian)池(chi)汲(ji)取(qu)的(de)電(dian)流(liu)極(ji)小(xiao)。最(zui)大(da)泄(xie)漏(lou)電(dian)流(liu)應(ying)當(dang)小(xiao)於(yu)幾(ji)個(ge)微(wei)安(an)，通(tong)常(chang)應(ying)小(xiao)於(yu)一(yi)個(ge)微(wei)安(an)。

4 鋰離子充電--應用實例

將以上幾點係統注意事項事先充分考慮，就能開發出適合的充電管理係統。

4.1 線性解決方案
當存在穩壓良好的輸入電源時
，通常采用線性充電解決方案。在此類應用中
，線性解決方案的優點包括易用、尺寸小以及成本低。由於線性充電解決方案 效率低因此影響設計的最重要因素就是散熱設計。最糟的情況是器件從涓流充電階段向 恒流充電階段轉換時，在此情況下，傳輸晶體管必須散發最大的熱能，必須在充電電流

、係統尺寸

、成本和散熱要求之間進行權衡。

例如

，應用中需要利用一個5V ±5%的輸入電源以0.5C或1C的恒定電流對一個1000mAh的單節鋰離子電池充電。圖3顯示了如何利用Microchip的 MCP73843構成一個低成本的獨立解決方案
，隻需要極少量的外部元器件，就可以實現所需要的充電算法。MCP73843完美地結合了高精度恒流充電
、 恒壓穩壓以及自動充電終止等功能。

為進一步減小線性解決方案的尺寸、jiangdiqichengbenhefuzaxing，xuduowaibuyuanqijiandoukeyijichengdaochongdianguanlikongzhiqizhong。xianjindefengzhuangkeyitigonggenggaodejichengdu，dangranyehuixishengyidingdelinghuoxing。ciwaicileichongdianguanlikongzhiqi haihuishixianyidingderetiaojiegongneng。retiaojiegongnengkegenjuqijianguanxinwendulaixianzhichongdiandianliu，congerkezaibaozhengqijiankekaoxingdeqingkuangxiayouhuachongdianzhouqishijian，retiaojiegongnengdadajiangdilesanreshe 計的工作量。

基於Microchip MCP73861的全集成線性解決方案如圖4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外還包括電流檢測、傳輸晶體管
、反向放電保護以及電池溫度監測。

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4.2 充電周期波形
利用MCP73843在1C和0.5C恒流充電速率下的整個充電周期如圖5.以0.5C而不是1C速率充電時
，充電結束的時間大約晚了一個小時。充電終止電流從0.07C降到0.035C,使得最終電池容量從~98%增長到~100%.係統設計師必須在充電時間
、功率損耗和可用電池容量之間進行權衡。

4.3 開關式充電解決方案
輸入電壓波動範圍寬或輸入輸出電壓差大的應用通常采用開關式充電解決方案。例如應用中需要利用汽車適配器以0.5C或1C的恒定電流對一個2200mAhdedanjielilizidianchichongdian，youyusanredengwenti，liyongxianxingjiejuefanganshixianjiweikunnan
，dangranyekeyicaiyongzhichiretiaojiedexianxingjiejuefangan，danjiangdichongdiandianliuzaochengdechongdianzhouqiyanchangshiwufajieshoude。

成功設計開關式充電解決方案的第一步是選擇設計結構：降壓式
、升壓式、升/降壓式、反激式、單端初級電感式或者其他形式。SEPIC拓撲結構的優點是低端柵極驅動和電流檢測、持續輸 入電流以及輸入和輸出間的直流隔離
，其主要缺點是需要兩個電感和一個能量傳輸電容。

MCP1630是一款可配合單片機使用的高速脈寬調製器
，配合單片機
，MCP1630可控製電源係統占空比
，提供輸出電壓或電流穩定 功能。PIC16F684單片機可用於輸出穩壓或穩流，以及開關頻率和最大占空比的調整。MCP1630產生占空比，並可根據不同外部輸入提供快速過流保 護。充電器采用的電源結構是SEPIC.單片機提供了極大的設計靈活 性。此外單片機還可以與電池包內的電池監控器通信，從而大大縮短充電周期時間。

利用開關式充電解決方案的整個充電周期如圖6所(suo)示(shi)。通(tong)過(guo)在(zai)充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)采(cai)用(yong)電(dian)池(chi)監(jian)控(kong)器(qi)

，可(ke)以(yi)大(da)大(da)縮(suo)短(duan)充(chong)電(dian)周(zhou)期(qi)，使(shi)用(yong)電(dian)池(chi)監(jian)控(kong)器(qi)就(jiu)不(bu)必(bi)再(zai)檢(jian)測(ce)電(dian)池(chi)包(bao)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)的(de)接(jie)觸(chu)電(dian)阻(zu)。

5 結論

zaimuqiandebianxieshichanpinzhong，yaozhengquedishixiandianchichongdianxuyaozaixidishejikaolv。benwentaolunlelilizidianchidexianxinghekaiguanshichongdianjiejuefangan
，benwensuotantaodezhidaoyuanzeheshejikaolvyaosu，shijishangyeshisuoyoudianchichongdianxitongshejidouxuyaokaolvde。