延長使用壽命降低成本的新型充電器設計
發布時間:2013-10-15 責任編輯:eliane
【導讀】鋰電池要得到更快速的發展,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、重量輕等優點,在手機、筆記本電腦市場已經完全取代其他電池,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用中,它廣闊的市場前景也越來越得到業界的認同。不過,與鎳氫、鎳鎘、qiansuandianchixiangbi,yaogengkuaidituidonglidianchideyingyonghefazhan,haibixubuduantigaotadeanquanxingheshiyongshouming。benwenjiangcongchongdianqijiaodu,taolunyizhongxinxingdechongdianjiejuefanganyitigaolidianchideanquanxing,yanchangdianchishiyongshouming,tongshijiangdichongdianqidechengben。
在使用電池的過程中,我們常會聽到電池業者這樣的一句話:“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,當充電過溫,在70℃左右:電解質界麵(SEI)模開始分解並發熱;120℃左右:電解質、正極開始熱分解,造成析氣並使溫度迅速上升;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,產生惡性循環,甚至電池著火、爆炸。因此,針對如何充電,我們共同來探討下麵幾個重要的問題。
為什麼需要預充功能
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%)。當電壓小於2.5V時shi,電dian池chi放fang電dian終zhong止zhi。同tong時shi因yin為wei放fang電dian回hui路lu關guan閉bi使shi內nei部bu保bao護hu電dian路lu的de電dian流liu損sun耗hao也ye降jiang為wei最zui低di。當dang然ran,實shi際ji應ying用yong中zhong由you於yu不bu同tong的de內nei部bu材cai質zhi,放fang電dian終zhong止zhi電dian壓ya可ke在zai2.5V-3.0V範圍。當電壓超過4.2V時,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,我們即可認為過放電狀態,放電回路終止,以保護電池安全。所以電池不用時,應將電池充電20%的電量,再進行防潮保存。
youyulidianchijuyoujiaogaodenengliangbi,yincizaidianchishiyongzhongyaoyangebimianguochong,guofangdexianxiang。guofanghuidaozhihuoxingwuzhidehuifukunnan,cishiruguozhijiejinrukuaisuchongdianmoshi(大電流),會對電池產生損害,影響使用壽命並可能因此帶來安全隱患。先以小電流(C/10)充到2.5V至3.0V,再轉換成快充是必要的。
雖sui然ran目mu前qian鋰li電dian池chi在zai應ying用yong中zhong都dou帶dai有you保bao護hu板ban,在zai通tong常chang的de情qing況kuang下xia,發fa生sheng過guo放fang的de幾ji率lv會hui很hen小xiao,但dan不bu加jia預yu充chong功gong能neng,在zai這zhe兩liang種zhong情qing況kuang下xia的de情qing況kuang還hai是shi可ke能neng帶dai來lai過guo放fang的de隱yin患huan。一yi是shi保bao護hu板ban失shi效xiao,二er是shi長chang時shi間jian放fang置zhi(5%-10%/月)的自放電率。因此小電流預充可以有效解決過放電池的充電問題。
但是,充電電流並非越大越好。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的恒流值進行充電。

圖1:不同電流充電與電池容量的關係曲線
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恒壓充電時的電壓精度要求
作(zuo)為(wei)高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)電(dian)池(chi),過(guo)充(chong)會(hui)對(dui)鋰(li)電(dian)池(chi)造(zao)成(cheng)很(hen)大(da)的(de)危(wei)害(hai),有(you)可(ke)能(neng)會(hui)膨(peng)脹(zhang)漏(lou)液(ye)甚(shen)至(zhi)發(fa)生(sheng)爆(bao)炸(zha)。而(er)且(qie)過(guo)充(chong)容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)電(dian)池(chi)裏(li)麵(mian)的(de)電(dian)解(jie)物(wu)質(zhi)加(jia)快(kuai)反(fan)應(ying)而(er)造(zao)成(cheng)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)減(jian)短(duan),因(yin)此(ci)準(zhun)確(que)的(de)恒(heng)壓(ya)值(zhi)充(chong)電(dian)對(dui)鋰(li)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)而(er)言(yan)有(you)著(zhe)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。
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。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,穩定LiCoO2的de層ceng狀zhuang結jie構gou,使shi它ta的de包bao覆fu不bu發fa生sheng相xiang變bian,提ti高gao循xun環huan性xing能neng,並bing保bao持chi高gao容rong量liang。此ci外wai,即ji使shi輕qing微wei的de過guo壓ya也ye會hui帶dai來lai兩liang個ge現xian象xiang的de改gai變bian,電dian池chi初chu始shi容rong量liang減jian小xiao和he電dian池chi循xun環huan壽shou命ming降jiang低di。

圖2
在多節鋰電池串聯的情況下,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。所以說,充電電壓的精度控製是鋰電池充電器的一個關鍵技術。
muqianrenmenduilidianchichongdiandianyayouzheyangyigewujie,renweiyouledianchibaohuban,zaidianyajingdushangbubiguanxin,zheshibukequde。yinweidianchibaohubanmudeshiyongyuduikenengdeyiwaishigujinxingjishidebaohu,takaolvdebijiaoduodeshianquanyinsu,erbushixingnengyinsu。biruyi4.2V的電芯為例,保護板的過壓保護參數是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。
為什麼需要充電定時器
曾(zeng)有(you)一(yi)家(jia)充(chong)電(dian)器(qi)廠(chang)商(shang)表(biao)示(shi),他(ta)們(men)以(yi)前(qian)常(chang)碰(peng)到(dao)充(chong)電(dian)器(qi)用(yong)戶(hu)來(lai)退(tui)貨(huo),說(shuo)充(chong)電(dian)器(qi)壞(huai)了(le),原(yuan)因(yin)是(shi)電(dian)池(chi)充(chong)了(le)一(yi)天(tian),電(dian)池(chi)都(dou)充(chong)不(bu)飽(bao),充(chong)電(dian)器(qi)不(bu)轉(zhuan)燈(deng),一(yi)直(zhi)是(shi)紅(hong)燈(deng)。可(ke)廠(chang)家(jia)對(dui)充(chong)電(dian)器(qi)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)時(shi),又(you)發(fa)現(xian)它(ta)是(shi)正(zheng)常(chang)的(de),符(fu)合(he)出(chu)廠(chang)要(yao)求(qiu)。這(zhe)是(shi)什(shen)麼(me)問(wen)題(ti)呢(ne)?zhezhuyaoshiyinweizhechongdianqimeikaolvdaodianchidelaohuahouzifangdianbianda。ruguojiezhichongdiandedianliushezhiguoxiao,jiangshidelaohuadedianchiyizhidabudaochongdianwanchengdeshezhidian,congershideyonghuchanshengwupan,renweichongdianqiyihuai。
充電定時器的作用就是防止已損害的或過多循環的鋰電池,在充電的截止段,由於自放電過大,使電池難以進入EOC的狀態(高於判斷電流),一方麵給用戶帶來電池充不飽的誤判,另一方麵也可能由於過長時間的充電,帶來電池過熱發生膨脹,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(shi)一(yi)個(ge)專(zhuan)用(yong)的(de)充(chong)電(dian)管(guan)理(li)集(ji)成(cheng)芯(xin)片(pian),它(ta)帶(dai)精(jing)確(que)電(dian)壓(ya),電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)和(he)多(duo)重(zhong)保(bao)護(hu),並(bing)提(ti)供(gong)六(liu)階(jie)段(duan)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)模(mo)式(shi),係(xi)統(tong)設(she)計(ji)方(fang)便(bian)且(qie)成(cheng)本(ben)低(di)。它(ta)主(zhu)要(yao)針(zhen)對(dui)用(yong)於(yu)輕(qing)型(xing)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che),電(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)和(he)電(dian)動(dong)工(gong)具(ju)上(shang)多(duo)節(jie)鋰(li)電(dian)池(chi)包(bao)。

圖3
高性價比和高可靠性的OZ8981包含單芯片集成充電控製器,可實現高效的誤差放大器輸出。它支持0V脈衝充電、預充電、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製。支持對預充電的啟動電壓、恒流充電值、恒壓充電值及截止充電電流值進行靈活設置。
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此外,OZ8981有高精準充電電壓(《1%)和電流(《5%)輸出;通過外部電阻調整,電壓輸出精度可《0.5%。支持雙充電定時器保護:預充電定時,恒壓充電定時(最大5小時,或不使用)。支持雙溫度保護:芯片內部溫度保護(115℃),外部過高溫保護(默認:44℃)和過低溫保護(默認:2℃)。外部溫度保護點可外部靈活設置。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,支持充電狀態的直接LED顯示。該器件采用通用封裝SOP16。

圖4:OZ8981鋰電池充電曲線圖

圖5

圖5
圖4為OZ8981鋰電池充電曲線圖。通過與前端PWM芯片的結合,OZ8981將幫用戶快速的實現安全高效且低成本的鋰電池充電器設計。
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