锂离子电池的充电IC使用方法

锂离子电池是消费电子产品中最常用的电池。在以前使用的其他类型的电池中，用于电子设备的NiCad电池已在欧盟被禁止，因此对这些类型的总体需求已经下降。

镍氢电池仍在使用，但它们较低的能量密度和成本效益比使它们没有吸引力。

锂离子电池的操作和构造

锂离子电池被认为是二次电池，这意味着它们是可充电的。最常见的类型包括由涂覆在铜基板或集流体上的石墨层制成的阳极，以及铝基板上的锂钴氧化物阴极。

分离器通常是一层薄的聚乙烯或聚丙烯薄膜，以电方式将两个电极分开，但允许锂离子通过它进行传输。这种安排如图1所示。

还使用了各种其他类型的阳极和阴极材料，最常见的阴极通常将其名称借给电池的类型描述。

因此，锂钴氧化物阴极电池被称为LCO电池。锂镍锰钴氧化物类型称为NMC类型，具有磷酸铁锂阴极的电池称为LFP电池。

图1 – 典型锂离子电池的主要成分

在实际的锂离子电池中，这些层通常紧密缠绕在一起，电解质虽然是液体，但几乎不足以润湿电极，并且没有液体在内部晃动。

这种布置如图2所示，它描绘了棱柱形或矩形金属外壳单元的实际内部结构。其他流行的外壳类型是圆柱形和袋状（通常称为聚合物电池）。

此图中未显示的是连接到每个集流体的金属片。这些选项卡是与电池的电气连接，本质上是电池端子。

图2 – 棱柱形锂离子电池的典型内部结构

为锂离子电池充电涉及使用外部能量源将带正电的锂离子从阴极驱动到阳极电极。因此，阴极带负电，阳极带正电。

在外部，充电涉及电子从阳极侧到充电源的运动，以及相同数量的电子被推入阴极。这与锂离子的内部流动方向相反。

在放电期间，外部负载连接到电池端子之间。储存在阳极中的锂离子移回阴极。在外部，这涉及电子从阴极到阳极的运动。因此，电流流过负载。

简而言之，例如，在充电过程中电池内部发生的事情是，在阴极侧，锂钴氧化物放弃了一些锂离子，成为锂含量较低的化合物，在化学上仍然稳定。

在阳极侧，这些锂离子嵌入或插入石墨分子晶格的间隙空间中。

在充电和放电过程中必须考虑几个问题。在内部，锂离子在充电和放电过程中必须穿过多个接口。例如，在充电过程中，锂离子必须从阴极的主体传递到阴极到电解质的界面。

从那里它必须穿过电解质，通过分离器到达电解质和阳极之间的界面。最后，它必须从该界面扩散到阳极材料的主体。

通过这些不同介质的电荷传输速率由其离子迁移率控制。这反过来又受到温度和离子浓度等因素的影响。

这在实践中意味着在充电和放电过程中必须采取预防措施，以确保不超过这些限制。

锂离子电池充电注意事项

为锂离子电池充电需要特殊的充电算法。这分几个阶段进行，如下所述：

涓流充电（预充电）

如果电池充电水平非常低，则以降低的恒定电流速率充电，该恒流速率通常约为下文所述的全速率充电速率的1/10。

在此期间，电池电压增加，当它达到给定阈值时，充电速率增加到完全充电速率。

请注意，一些充电器将此涓流充电阶段分为两个：预充电和涓流充电，具体取决于电池电压最初有多低。

如果电池电压最初足够高，或者电池已充电至此点，则启动完全充电速率阶段。

这也是一个恒流充电阶段，在这个阶段，电池电压继续缓慢上升。

锥度电荷

当电池电压上升到其最大充电电压时，逐渐增压阶段开始。在此阶段，充电电压保持恒定。

这一点很重要，因为如果允许锂离子电池以高于其最大电压的电压充电，则会发生灾难性故障。如果该充电电压保持恒定在此最大值，则充电电流将缓慢减小。

截止/终止

当充电电流降至足够低的值时，充电器将与电池断开连接。此值通常为全速率充电电流的1/10或1/20。

重要的是不要对锂离子电池进行浮充电，因为从长远来看，这将降低电池的性能和可靠性。

虽然上一节介绍了各个充电阶段，但没有提供各个阶段的具体阈值。从电压开始，每种锂离子电池类型都有自己的完全充电端电压。

对于最常见的LCO和NCM类型，这是4.20V。也有一些具有4.35V和4.45V。

对于 LFP 类型，它是 3.65V。对于 LCO/NMC 和 LFP 类型，涓流充电至充满电阈值分别约为3.0和2.6。

设计用于为一种类型的锂离子电池（如 LCO）充电的充电器不能用于为另一种类型的锂离子电池（如 LFP 电池）充电。

但请注意，有些充电器可以配置为为多种类型的充电器充电。这些通常需要充电器设计中的不同组件值，以适应每种类型的电池。

当涉及到充电电流时，需要一些解释。锂离子电池容量传统上报告为mAh，或毫安时，或Ah。这个单位本身实际上并不是一个储能容量的单位。为了达到实际的能量容量，必须考虑电池电压。

图3显示了LCO型锂离子电池的典型放电曲线。由于放电电压具有斜率，因此将整个放电曲线的平均电池电压视为电池电压。

对于LCO类型，此值通常为3.7至3.85V，对于LFP类型，此值通常为2.6V。将mAh值乘以电池的平均电压，然后得到给定电池的mWh或储能容量。

电池充电电流以C速率表示，其中1C在数值上与电池容量（以mA为单位）相同。因此，1000mAh电池的C值为1000mA。由于各种原因，锂离子电池允许的最大充电速率通常为LCO类型为0.5C至1C，LFP类型为3C或更高。

当然，一个电池可以至少由一个电池组成，但可以由许多电池组成，这些电池由并联电池的串联组组合而成。

前面给出的场景适用于单节电池。在电池由多个电池组成的情况下，必须调整充电电压和充电电流以匹配。

因此，充电电压乘以串联电池或电池组的数量，同样，充电电流乘以每个串联组中并联电池的数量。

图3 – LCO型电池的典型放电曲线

为锂离子电池充电时必须考虑的一个非常重要的附加因素是温度。锂离子电池不能在低温或高温下充电。

在低温下，锂离子缓慢移动。这可能导致锂离子在阳极表面聚集，最终变成锂金属。由于这种锂金属形成呈枝晶形式，因此可能会刺穿分离器，导致内部短路。

在温度范围的高端，问题是产生过多的热量。电池充电效率不是100%，并且在充电过程中会产生热量。如果核心的内部温度过高，电解质可能会部分分解，并变成气态副产物。这会导致电池容量永久减少以及膨胀。

锂离子电池充电的典型温度范围为高质量电池的0°C至45°C，较便宜的电池约为8°C至45°C。一些电池还允许在更高的温度下充电，最高可达约60°C，但充电速率降低。

所有这些考虑因素通常都由专用充电器芯片满足，强烈建议使用此类芯片，而不管实际的充电源如何。

锂离子充电器

锂离子充电器大致分为两大类：线性和开关充电器。这两种类型都可以满足前面关于锂离子电池正确充电的要求。但是，它们各有其优点和缺点。

线性充电IC的优点是相对简单。但是，它的主要缺点是效率低下。例如，如果电源电压为5V，电池电压为3V，充电电流为1A，则线性充电器的功耗将为2W。

如果该充电器嵌入在产品中，则必须散发大量热量。这就是为什么线性充电器主要用于最大充电电流约为1A的情况。

对于大型电池，最好使用开关充电器。在某些情况下，它们的效率水平可以高达90%。缺点是其成本较高，并且由于在其设计中使用电感器而对电路空间的要求稍大。

充电源注意事项

不同的应用可以调用不同的充电源。例如，这可以是提供直流输出的直式交流适配器，也可以是移动电源。它也可以是来自台式机或类似设备的USB端口。它也可能来自太阳能电池板组件。

由于这些不同电源的供电能力，除了简单地选择线性或开关充电器外，还必须进一步考虑实际电池充电器电路的设计。

最直接的情况是充电源提供稳压直流输出，如交流适配器或移动电源。唯一的要求是选择不超过电池最大充电速率或电源供电能力的充电电流。

从USB电源充电需要更多的关注。如果USB端口是USB2.0 类型，则它将遵循USB电池充电标准1.2或BC1.2。

这要求任何负载（在本例中为电池充电器）不应超过100mA，除非负载已与源一起枚举。在这种情况下，允许它在5V时采用500mA电流。

如果USB端口是USB3.1，那么它可以遵循USB BC1.2，或者可以在设计中加入主动控制器电路，以协商遵循USB供电或USB PD协议的更多功率。

太阳能电池作为充电源提出了另一组挑战。太阳能电池电压 - 电流，或VI，有点类似于常规二极管。常规二极管不会传导任何低于其最小正向电压值的可观电流，然后只需略微增加正向电压即可通过更大的电流。

另一方面，太阳能电池可以在相对平坦的电压下提供电流，直到达到一定的最大值。超过该电流值，电压急剧下降。

因此，太阳能充电器必须具有电源管理电路，以调节从太阳能电池吸收的电流，以免导致输出电压过低。

强烈建议花时间寻找合适的充电IC，而不是从头开始设计电池充电器。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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