整合式CFE防護提高充電系統層級安全性

本文將探討鋰電池安全性、充電電池設計、安全監控，以及充電系統安全性等主要系統設計考量。

　　電池充電器IC角色關鍵

　　圖1顯示一般的電池充電系統，該系統輸入可以是交流電(AC)墻式轉接器供應的直流電(DC)電源，或通用序列匯流排(USB)介面供應的DC電源。一般的電池充電系統包括充電前端(CFE)、電池充電器及電池組。CFE防護積體電路(IC)整合輸入過壓、過流及電池過壓等防護機制，能夠提高電池供電系統的安全性。電池充電器IC可調節電池充電電壓及電流，并監控電池溫度，以延長電池使用壽命，并提高安全性。了解鋰電池特性，對于設計更安全的充電系統而言相當重要。

　　圖1 一般的電池充電系統

　　鋰電池安全性不可忽視

　　由于鋰電池采用活性極高的材料，因此必須注意運作溫度過高會加速電池衰減，導致熱失控，甚至使鋰電池爆裂的問題。如果電池在高電流下過度充電或發生短路，就會出現快速升溫的現象。

　　鋰電池過度充電時，活性金屬鋰就會沉積在正極上，這種材料會大幅提高火災發生機率，因為只要接觸電解液和負極材料就會爆裂。例如，鋰/碳嵌入化合物遇水會發生化學反應，而反應產生的高溫可點燃釋放的氫氣。

　　對于4.3伏特(V)電池電壓而言，氧化鋰鈷(LiCoO2)等負極材料在溫度超過熱失控臨界值175℃時，就會與電解液發生反應(圖2)。鋰電池采用聚烯烴(Polyolefin)等多微孔薄膜(Micro-porous Film)將正負電極加以電隔離。這些電極可達到絕佳的機械屬性與化學穩定性，且價格合理。聚烯烴的熔點較低，介于135～165℃之間，可作為溫度保險絲。隨著溫度接近聚合物的熔點，便不再具有滲透性(Porosity)，在鋰離子不再于電極之間流動時關閉電池。

　　圖2 電池熱失控

　　此外，正向溫度系數(PTC)裝置和安全出口(Vent)能提供額外防護，一般而言，負極終端外殼通常采用鍍鎳鋼鐵。外殼封閉后，金屬粒子會污染電池內部。這些粒子會隨著時間進入分離器，導致電池正負極兩側之間的絕緣層衰減，這會造成正負極之間的微小短路，使電子自由流動，最終導致電池故障。這種故障通常只會導致電池電量耗盡，無法正常運作。在極罕見情況下，電池會出現過熱、融化、起火甚至爆裂等現象。

　　安全電池充電器設計三部曲

　　圖3顯示常用的鋰電池充電配置，鋰電池充電包括三個階段，首先是預先充電，接著是快速充電穩定電流(CC)，最后是穩定電壓(CV)。在預先充電中，電池以低速率充電。電池電壓低于3.0伏特時，充電速率通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態下，長期沉積后可能溶解，便可逐漸恢復。此外，過度放電的陽極短路電池上出現部分銅分解時，預先充電可防止在1℃充電速率(可在1個小時內使電池完全放電的電流)下出現過熱狀況。

　　圖3 鋰電池充電配置

　　預先充電安全計時器，可避免電量耗盡的電池長時間充電。一般而言，電池電壓達到3.0伏特，充電器就會進入CC階段。快速充電電流通常限定在0.5～1℃之間，以避免過熱導致電池加速衰減。速率必須慎選，確保電池溫度不超過45℃，以快速充電速率進行電池充電，直至電壓達到調節限度(對于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特)為止。充電器開始調節電池電壓并進入CV階段，此時充電電流會等比下降至預先定義的終止程度，結束電池充電。

　　對于電池使用壽命及安全性而言，電池充電電壓的準確性相當重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量，但是會縮短電池使用壽命，如圖4所示。對于±2.5%容差的電池充電電壓而言，充電電壓可能會達到4.3伏特，這會導致熱失控及安全性問題。為避免電池高溫充電，并提高安全性，充電器IC必須監控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全范圍內(0～45℃)時，電池才能充電，電池組通常會利用電熱調節器讓溫度達到安全范圍。此外，通常須要快速充電安全計時器，避免電量耗盡的電池長時間充電。一旦經過安全時間，即便電池未達到充電終止電流狀態，電池充電器也必須結束充電。