锂离子电池管理中的问题与解决方案

ApplicationNote郑刚AN023–Aug2014AN023©2014RichtekTechnologyCorporation1锂离子电池管理中的问题与解决方案目录一、概述.....................................................................................................................................................2二、锂离子电池的保护..................................................................................................................................2三、充电策略及其和温度的关系....................................................................................................................5四、充电定时器.........................................................................................................................................11五、路径管理..............................................................................................................................................14六、USB接口规范、限制和识别.................................................................................................................17七、端口的过压、过流保护.........................................................................................................................18八、线性充电与开关式充电.........................................................................................................................19九、对电源适配器的检测和适应..................................................................................................................22十、状态指示..............................................................................................................................................25十一、电池容量的测量及其解决方案...........................................................................................................25十二、充电器件的测试模式.........................................................................................................................27锂离子电池管理中的问题与解决方案AN023©2014RichtekTechnologyCorporation2一、概述锂离子/聚合物电池（以下均简称锂离子电池）是以锂合金的金属氧化物为阳极材料、以石墨为阴极材料、使用非水电解质的可充电电池。根据阳极所用材料的不同，不同种类的锂离子电池也表现出不同的特性，它们最明显的电特性上的差异就表现在不同的公称电压上，与之相应的充电终止电压和放电截止电压也各自不同。锂这种材料在具有很多作为电池材料优点的同时，也同时具有非常活泼的特性（这本来是它的优点），稍有不慎，它就很容易燃烧，而燃烧带来的高温和体积膨胀常常造成灾难性的后果。所以，除了在锂离子电池本身的制作、保存、运输、操作上要执行严格的规范以外，对它进行保护、充放电管理方面也有许多的讲究。二、锂离子电池的保护锂离子电池在使用中最重要的是要确保它不会被过度充电和放电，这两种行为对它的伤害都是不可修复的，甚至可能还是危险的，因为它的内部材料结构被破坏了，就什么问题都可能表现出来。因此使用中首先要做的就是要给它加上保护电路，确保过度的行为不会发生。RT9541和RT9545立锜科技在锂离子电池保护IC市场上推出的产品，其功能都是要实现过流、过压保护和过充、过放保护，下图是截取自RT9545规格书的应用电路图：图一、锂离子电池保护电路在一般应用中，保护IC这部分电路是和电池一起放在电池包里的，用户能够看到的仅仅是+、-两个电极。电路中Q1和Q2既是用于实现放电和充电时的保护开关（由于存在寄生二极管的缘故，没有办法只使用一只管子实现双向的保护，除非使用可双向关断的其他器件），也是过流检测元件。当IC在开关两端检测到过大的电压降时，就会强制MOSFET进入截止状态，从而关闭流过电池的电流，达到保护电池的目的。由于电流侦测是通过对MOSFET两端之间的电压差的侦测来实现的，MOSFET的导通电阻就会成为一个关键参数，这是设计者需要注意的重点。锂离子电池管理中的问题与解决方案AN023©2014RichtekTechnologyCorporation3对过压状态和欠压状态的侦测则是通过对VDD和VSS之间电压的侦测来完成的，大部分的锂离子电池会选择4.35V和2.5V作为过充保护电压和过放保护电压，并会因为电池本身的不同而有不同的选择。下图是RT9545的内部电路框图，有兴趣的读者可以作为研究的参考。图二、锂离子电池保护IC内部电路框图下图是一种容量约为950mAh的锂离子电池的容量和循环寿命与充电截止电压之间的关系，从中可以看到如果仅仅靠锂离子电池保护IC所提供的4.35V作为充电截止电压，那么它的初始容量是比较高的，但循环寿命是极短的，而且容量下降速度也是极快的。图三、锂离子电池的容量、循环寿命和充电电压之间的关系锂离子电池管理中的问题与解决方案AN023©2014RichtekTechnologyCorporation4不同的充电电流对锂离子电池的容量和寿命有什么影响呢？下图可供参考：图四、锂离子电池的容量、循环寿命和放电电流之间的关系从中我们可以看到，对900mAh的锂离子电池以1.0C的速率进行充电，500个循环后的容量大约为780mAh；但若以2.0C的速率进行充电，500个循环后的容量大约为500mAh。从几条曲线的趋势来看，我们几乎可以认为随着充电速率的增大，其容量衰减的速度是以指数特性递增的。通过这些实测的数据，我们应当知道，我们需要使用正确的策略来使用锂离子电池，而充电策略就是所有策略中最重要的。锂离子电池管理中的问题与解决方案AN023©2014RichtekTechnologyCorporation5三、充电策略及其和温度的关系在充电的过程中，在充电器施加的外电场作用下，Li+从正极LiCoO2中脱出进入电解液并向负极移动，依次进入石墨组成的负极，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来越高，LiC晶格留下的空格越来越少，从正极移动过来的Li+找到空格的机会就越来越小，所需时间就越来越长，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。枝晶的长大最终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越危险，充电的时间越长也越危险。如果你不能想象电池内部发生的状况，请把这个电池想象成肥皂泡，你往肥皂泡中吹入气体的过程就相当于给电池充电的过程，如果你吹得太快，肥皂水形成的水膜扩张速度赶不上气体吹入的速度时，肥皂泡就很容易破裂了。基于对锂离子电池特性的理解，业界已经形成了对锂离子电池进行充电时的三阶段策略：预充电、恒流充电和恒压充电。预充电的意义是要对电池的状态进行调整，使之进入可以进行大电流快速充电的状态；恒流充电的作用是将电能快速地储存到电池中；恒压充电阶段则是最后的调整阶段，它使电池的容量最大化，但其进行过程是完全依照电池自身的需要进行的，不像恒流充电阶段那样对电池有强大的外来压力（电场力）。任何违背电池本身特性的行为，尤其是超过电池接受能力的过大电流或是超过电池过充电压的操作都会对电池的寿命带来无法挽回的影响，所以任何完善的充电管理方案都必须按照严格的规范来进行设计。下图显示了充电的三个阶段：图五、业界通行的锂离子电池三阶段充电策略预充电（Precharge）发生在电池电压比较低时，对于大多数锂离子电池来说，这个电压通常定义在2.9V~3V以下，此时的充电电流一般容许在C/10以下。恒流充电的电流大多设定在1C左右（按照500个使用循环后容量衰减至初始容量的80%确定）。在恒压充电阶段，电流将逐渐下降，下降到一定程度（通常是C/10）以后，我们可以认为电池已经充满了，充电过程将截止。上图显示的最后一个阶段被称为补充阶段，它实际上是恒流阶段和恒压阶段的组合。它是为了弥补电池自放电和其它与它相连的负载的消耗而造成的电容量下降的弥补措施，这样做是为了保证在电池（及由其构成的系统）和充电设备分离时总是处于尽可能充满电的状态。电池所处的温度对充电策略会有重大影响。由于构成电池的材料在不同温度下的特性不同，电池的容量、合适的充电电压也发生了巨大的变化（参看下图）。锂离子电池管理中的问题与解决方案AN023©2014RichtekTechnologyCorporation6图六、温度对锂离子电池容量和电压的影响通常情况下，温度过低或过高时，应当禁止对电池进行充电操作。一颗充电管理器件要完成这一任务其实非常容易，下图是RT9503A的应用电路图，其中有一个可变电阻和电池放在一起，这个可变电阻是热敏电阻，把它和电池放在一起提示我们要测量的是电池本身的温度。在实际工作时，RT9503A的TS内部流出来一个102μA的电流，该电流流过热敏电阻以后就会在TS端形成一个电压，如果该电压位于0.5V~2.5V之间，RT9503A认为此时的温度在可以充电的区间内，而一旦此电压超出此区间，它就会认为电池已处于不合适充电的状态下，会立即将充电过程终止，从而保护电池不致因不恰当的充电而受损。作为设计师，需要根据自己选定的电池容许充电温度范围去选择这个热敏电阻的规格，而计算的方法也很简单，利用前面提供的电流、电压数据用欧姆定律计算出可用的电阻值范围，热敏电阻的规格就很容易确定了。RT9503A341BATTTIMERSYS1112136ACINISETATS10152USB+BatteryPackCTMR0.1μFChipEnable5,ExposedPad(17)GND9ENAC_PGOODAC_ONCH