鋰離子電池充電線路之設計參考

前言

便攜式電子產品皆以電池作為電源。隨著便攜式產品的迅速發展，各種電池的用量大增，并且開發出許多新型電池。除大家較熟悉的堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來成為主流的鋰離子電池。這里會介紹有關鋰離子電池的相關知識，包括它的特性、主要參數、應用范圍，最后并提供鋰離子電池充電線路之設計參考。

鋰離子電池發展與應用

鋰離子電池是目前應用最為廣泛的可再次充電式電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，可以單節電池使用于低功率應用，也可以將多節電池進行串并聯組合得到更高電壓與容量，用于電動工具與筆記型計算機。鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物(鋰離子/鋰聚合物電池)、或凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發現能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物，所以大多數的鋰離子/ 鋰聚合物電池實際上是結合凝膠體和聚合物的混合型電池。

鋰離子電池有別于一般的化學電池，其充放電工作過程是通過電池正負極中鋰離子的嵌入和脫嵌來實現的，當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液移動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又移動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在充放電過程中，鋰離子處于從正極到負極到正極的循環運動狀態。由于鋰離子電池中使用的是離子狀態的鋰而非金屬鋰，危險性低，安全性高。

電池特性

電池的性能參數主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內部移到正極時，電池非靜電力(化學力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性質，與電池的大小無關。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。

在電池反應中，每公斤反應物質所產生的電能稱為電池的理論比能量。所謂比能量指的是單位重量或單位體積中所儲存的能量，以Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進行，同時電池內阻也會引起電壓降。另一方面，電流流過電池的截面積越大，其內阻越小。鋰離子電池的最大特點是比能量高，現今的鋰離子電池技術可達到比能量為80~120 wh/kg，而傳統鉛酸電池的比能量僅為30~40 wh/kg，因此鋰離子電池可以以較小體積儲存更高能量，有助于講求輕薄短小的行動電子裝置與要求高續航力的電動車應用。

以下亦列出鋰離子電池的幾項特點：高容量：鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。

●高電壓：一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(標稱值)，相當于三個串聯的鎳鎘或鎳氫電池。

●高穩定：由于不含金屬鋰，危險性低，因而不受飛機運輸關于禁止在客機攜帶規定的限制。

●長壽命：可充電鋰離子電池充電全滿時、電壓約為4.2伏特，放電時電壓會下降、但不宜低于約2.5伏特，保存電壓或出廠電壓約為3.6至3.7 伏特。使用壽命主要關鍵為充電次數，優良的可充電鋰離子電池約有500次以上的壽命(由2.5伏特充電至4.2伏特算一次)，且鋰離子電池不存在記憶效應。

●快速充電：使用額定電壓為4.2V的定電壓/定電流充電器，可以使鋰離子電池在1~2.5個小時內就充滿電。但須注意如果充電電壓超過4.3伏特以上，有爆炸的危險。電池電壓低于2.0伏特，則鋰離子電池損毀，無法再使用或充電。

電池充電方式

由以上可以知道，鋰離子電池雖然具有高容量與長壽命的優勢，但是在充放電方面則需特別注意，因此所有可充電鋰離子電池都需要配置其“充放電管理 IC”，用以限制充電及放電電壓，以確保不超過安全電壓致電池爆炸，當電池電壓低于2.5V切斷輸出，避免電池壽命縮短。除少數標準品之外，多數鋰離子電池體積外型各異，以實際應用為主，容量規格也不盡相同，因此充電電流由各制造廠商自行設計規范。依據電流大小而有所謂快充或慢充模式；然大電流的充電模式通常有損使用壽命。雖然電池組中已包含有充電管理IC，但此僅作為電池爆炸或防止燃燒的最低保護措施，而非正常的使用方式，為充分達到電池的壽命與效率，充電器的設計仍需離此一上下限甚遠。

除了過放電之外，鋰離子電池也不適合用作大電流放電，大電流放電時會降低放電時間(內部會產生較高的溫度而損耗能量)。因此電池制造商規范該產品最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流。鋰離子電池對充電品質的要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的 1%之內(例如:充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)過壓充電可能對鋰離子電池造成永久性損壞，嚴重者導致電池爆炸；鋰離子電池的充電電流應根據電池制造廠的規范選用。雖然某些電池充電電流標稱可達2C(C是電池的容量，標示如1000mAh，1C充電率即充電電流為1A)，但高充電電流會降低電池壽命，因此一般常用的充電率為0.25C～1C。因充電過程的電化學反應會產生熱，有一定的能量損失；另外鋰離子電池充電并非全部采用定電流充電，還有定電壓模式充電，所以實際充電時間約為2.5小時左右；鋰離子電池充電的溫度在0℃~ 60℃范圍。如果充電電流過大會產生溫度過高，不僅會損壞電池并可能引起爆炸。因此在大電流充電時，需要對電池進行溫度檢測，并且在超過設定充電溫度時能停止充電以保證安全。另外，充電器電路中有設定的限流電阻，保證充電電流不超過設定的限制電流。

目前鋰離子電池的充電器常采用三段充電法，即預充電模式(Pre-Charging Mode)、定電流充電(Fast Charging Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Mode)。鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。設計完善的充電器可對過放的電池進行挽救修復，即在正式充電前進行預處理。于充電前先檢測電池的電壓：若電池電壓大于 3V，則按正常方式充電；若電池電壓低于3V，則以小電流(約為10%的定電流模式充電電流)充電稱之為預充電模式，讓處于深度放電狀態下而溶解的鈍化膜進行還原。此外，當電池過度放電時，還可能釋出部分銅金屬在陽極造成短路，此時若以高電流進行強迫充電就會導致電池過熱，而預充電階段則能避免這種現象發生。等充到3V后再按正常定電流方式充電。

當電池電壓大于3V，則按正常方式充電的充電特性如圖1所示(以4.2V鋰離子電池為例)。開始以設定的定電流模式充電，此時電池電壓以較快的斜率上升，隨著電池電力儲存的增加，電池電壓上升斜率會逐步降低，上升到接近 4.2V 時，定電流充電階段結束。充電器改以 4.2V定電壓充電，在定電壓階段充電時，電壓幾乎不變，但充電電流持續下降。當充電電流降到某一值時，激活定時器，經一段計數定時截止后，結束充電，完成充電程序。



圖1：典型的鋰離子電池充電曲線

定電壓充電的輸出穩壓精確度對于電池容量最大化和延長電池使用壽命都很重要。當電池穩壓低于4.2V，可能導致電池充電不足，雖不至于影響壽命，卻使得電池蓄電量減少。例如充電不足程度只要達到總電壓的 1%，就會讓電池蓄電量減少8%。另一方面，電池穩壓太高，則導致電池過度充電而縮短使用壽命，甚至造成使用者危險。為了確保鋰離子電池的充電安全，開始充電時的環境溫度，必須在0℃～45℃之間。在更低溫度下進行充電會形成更多金屬鋰，會導致電池阻抗增加與電池劣化。在高溫環境下進行充電，則會增加鋰離子與電解液的反應而加速電池劣化。

一般而言，建議長時間不使用時，應將電池充至70 - 80%進行存放。這也是為防止長時間的自然放電后，鋰離子電池電壓低于2.0伏特，導致鋰離子電池失效而不能使用。經常把鋰離子電池電量耗盡的使用方式，比經常充放電的使用方式