锂电池充电方案分析

锂离子电池锂是锂电池的核心，是最轻的金属元素。锂离子电池的前世。早期锂电池的负极为金属锂，金属锂的化学活性太大，充电时会产生枝晶效应从而使电池短路。后发现锂可与其他金属形成合金，活性要小很多，且锂在很多层状结构中可逆的嵌入与脱出。嵌锂化合物饿出现奠定的锂离子电池的技术基础。锂离子电池的今生。通过锂离子的传递来完成充放电。由正极，负极，隔膜，电解质组成。锂离子电池的来世。发展新的正负极材料，如部分动力电池，负极LiC+正极LiMn2O4锂聚合物电池。在正、负电极粘结剂、电解质三者中任何一种使用高分子高分子聚合物的锂离子电池就可以成为锂聚合物电池。现在常见的是使用高分子胶体取代常规液体电解质的锂聚合物电池。锂离子电池的化学原理充电正极反应：LiCoO2放电xLi++xe-+Li1-xCoO2放电负极反应：6C+xe+xLi+LixC6充电电解液LiPF6(氟磷酸锂）+EC(碳酸乙烯酯）+DMC(碳酸二甲酯)充电时锂离子从正极层状物的晶格间脱出，通过电解液迁移到层状负极表面后嵌入到石墨材料晶格中，同时剩余电子从外电路到达负极。放电则相反，锂离子从石墨晶格中脱出回到正极氧化物晶格中负极枝晶效应在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在那儿形成LiC化合物。如果充电速度过快，会使得Li+来不及进入负极栅格，在负极附近的电解液中就会聚集Li+，这些靠近碳C负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为金属Li。持续的金属锂生成会在负极附近堆积、长大成树枝状的晶体，俗称枝晶。另一种情形，随着负极的充满程度越高，LiC晶格留下的空格越少，从正极移动过来的Li+找到空格的机会就困难，时间就越长。如果充电速度不变的话，一样可能在负极表面形成局部的Li+堆积。因此，在充电的后半段必须逐步缩小充电电流。枝晶的长大会刺破正负级之间的隔膜，形成短路。可以想象，充电的速度越快越危险，充电终止的电压越高也就越危险，充电的时间越长也越危险。锂离子电池的使用和保护高压危险区-----------------------------------------保护线路过充保护电压(4.275~4.35V)高压警戒区-----------------------------------------锂离子电池充电限制电压4.20V正常使用区-----------------------------------------锂离子电池放电终止电压(2.75~3.00V)低压警戒区----------------------------------------保护线路过放保护电压(2.3~2.5V)低压危险区ChargeProfile锂离子电池的几个基本充电原则充电电流要求，瞬时值小于5C，平均值小于1.2C充电电压都不能超过4.275V，考虑到实际的一些误差，一般充电电压设定不能超过4.2V充电终止后不能再接受涓流充电，即在达到4.2V充电完成后必须切断充电违背上述原则会产生枝晶效应，长期违背会对电池的寿命产生极大影响并可能会有安全问题充电终止电压对电芯寿命的影响充电终止电压越高，电池寿命越短在4.2V附近，1%的电压误差会导致寿命变化1/3充电终止电压对容量的影响1%的终止电压的变化，会使容量改变8%过充电会使容量看起来更大，欠充电会使容量得不到充分的利用因此，终止电压的精度是一个非常重要的参数一，带Powerpathselector以及动态电源管理,PWM充电----实例BQ24133Q1Q2R1CMSRCACDRVACPACNPVCC100K13KVREFISETR2L=6.8UHSRPSRNSWC=0.1UFTTCTSBatteryACJACK12V1A5.1k31.6kVREFNTCOutVINBQ24133STATQ3BATDRYBQ24133为带动态管理及路径管理的充电芯片，如上图所示：1，Q1,Q2为前端的背对背N-MOS，当AC插入时，Q1Q2为导通状态，无AC插入时为关闭状态。2，R1,R2为高精度小电阻，R1用于侦测负载端的耗流，R2用于侦测充电电流，当负载加重时，芯片会自动调整减小充电电流。3，Q3为AC与Battery供电的切换的开关，AC在时关闭，无AC时导通。4，BQ24133在AC存在的时候后端的输出仍为AC输入的电压。5，充电为DC-DC充电，效率高，损耗小，发热量小。6，可支持对1，2，3CELL三种电池的充电-1991992993994995996997998999990:00:110:13:110:26:130:39:130:52:131:05:131:18:131:31:131:44:131:57:132:10:132:23:132:36:132:49:133:02:133:15:136.26.77.27.78.28.7AV下图为实际的用BQ24133对2cell7.4V2150mAh电池的充电曲线比线性方式设计复杂，需增加外围的MOS和电感,需充分考虑MOS的热耗散和内阻以及电感的过流能力充电高效率，一个好的PWM的充电效率在80%~95%之间不需要特别的考虑散热措施，PWM的充电的热耗散量只有线性充电的30%~60%PWM充电的实际设计考量二，带Powerpathselector以及动态电源管理，电压转换，线性充电----实例BQ24070BQ24070最大支持2A输入，1.5A充电电流，带动态电源管理功能，通过DPPMPin设定一个Vdppm电压，当后端输出电压跌落小于Vdppm时，Q2开始调整充电电流。当后端电压跌落到电池电压下，充电电流开始减小为0，电池开始同时向负载供电。BQ24070DPPM功能曲线图-10190390590790990119013900:00:070:20:120:40:171:00:221:20:271:40:322:00:372:20:422:40:473:00:523:20:573:41:024:01:074:21:1233.23.43.63.844.24.4AVBQ24070充电测试1Cell电池样品1-10190390590790990119013900:00:310:22:560:45:211:07:461:30:111:52:362:15:012:37:262:59:513:22:163:44:414:07:064:29:314:51:562.833.23.43.63.844.24.4AVBQ24070充电测试1Cell电池样品2三，带Powerpathselector，电压转换，线性充电----实例MC13892MOS管M1与M2起到电压转换以及控制充电电流的作用，所有的压降的损耗承受在M1与M2上面，发热量会很大MC13892对3300mAh电池实际充电曲线设计简单小功率时成本很低低噪声如待充电电池的电压在3V-4.1V之间，adapter的输出电压为5V，则线性的充电效率就在60%~82%之间，假设充电电流1A，则在充电芯片上的损耗则为2w~0.8w之间，对便携式设备来说，就会存在散热的问题。线性充电的实际设计考量充电方法的选择在小电流低压差时首选线性充电方法在大电流和高压差时首选PWM充电方法简单低成本手机MP3等高效率快速充电笔记本平板电脑等TheEndThanks