多串鋰離子電池充電解決方案

1﹑引言

隨著鉛酸蓄電池質(zhì)量的不斷提高，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。要生產(chǎn)一只合格的鉛酸蓄電池，必須經(jīng)過多道生產(chǎn)工藝，而且每道生產(chǎn)工藝都有嚴(yán)格的工藝要求。目前大部分蓄電池殼生產(chǎn)廠家在蓄電池池殼注塑后僅憑人工檢測注塑效果，以剔除不合格品。而在池殼注塑過程中受溫度及材質(zhì)等因素的影響,池殼可能出現(xiàn)氣孔、毛毗等缺陷，由于小密鉛酸蓄電池的池殼各單格相互連結(jié)的隔板比中、大密電池薄,小密蓄電池各單格之間的間距也較小,所以僅憑人工檢測很難發(fā)現(xiàn)池殼的某些缺陷，等到半成品電池時(shí)再通過檢測儀器剔除因此造成的不合格品就為時(shí)過晚,已經(jīng)浪費(fèi)了大量的人力、物力。針對這種情況，我們參考國外相關(guān)成品電池密合度檢測設(shè)備中的高壓檢測原理，成功開發(fā)出了物美價(jià)廉的池殼檢測機(jī)。它適用于各類大、中、小密鉛酸蓄電池池殼的檢測，對小密鉛酸蓄電池尤其有推廣價(jià)值。

2、檢測原理

在注塑后的蓄電池池殼的隔板兩邊緊貼隔板分別放置兩塊厚銅板,其中一塊銅板接直流高壓,另一塊銅板接地線,在兩塊銅板之間加1.5萬伏～3萬伏直流高壓,通過檢測泄漏電流的大小來判斷池殼好壞,當(dāng)池殼隔板有氣孔或有毛毗等缺陷時(shí)此處隔板變薄，承受高壓的能力差，空氣電離嚴(yán)重，泄漏電流比正常池殼明顯增大，當(dāng)檢測到的泄漏電流大于設(shè)定泄漏電流時(shí)我們用聲光報(bào)警來表明此電池不合格。(設(shè)定的泄漏電流值根據(jù)實(shí)際情況定)。以一只12V6單格的小密鉛酸蓄電池為例，其池殼的高壓接線如圖1。

鋰離子電池以能量密度高、體積小、重量輕等優(yōu)勢，在手機(jī)、筆記本電腦市場已經(jīng)完全取代其他電池，占有率幾乎達(dá)到了100%。目前，鋰離子電池正迅速延伸至電動工具及其他的應(yīng)用中，它廣闊的市場前景也越來越得到業(yè)界的認(rèn)同。不過，與鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池相比，要更快地推動鋰離子電池的應(yīng)用和發(fā)展，還必須不斷提高它的安全性和使用壽命。本文將從充電器角度，討論一種新型的充電解決方案以提高鋰離子電池的安全性，延長電池使用壽命，同時(shí)降低充電器的成本。

在使用電池的過程中，我們常會聽到電池業(yè)者這樣的一句話：“電池使用中壞的少，更多的是被充壞的”。這句話我們可以理解為，不正確的充電條件或方法將更容易損害電池、降低電池的壽命。以18650鈷酸鋰離子電池為例，當(dāng)充電過溫，在70℃左右：電解質(zhì)界面(SEI)模開始分解并發(fā)熱；120℃左右：電解質(zhì)、正極開始熱分解，造成析氣并使溫度迅速上升；在到260℃左右：電池爆炸?；虺潆娺^壓，以過壓5.5V來看，容易使鋰金屬析出，溶劑被氧化，溫度上升，產(chǎn)生惡性循環(huán)，甚至電池著火、爆炸。因此，針對如何充電，我們共同來探討下面幾個(gè)重要的問題。

為什么需要預(yù)充功能？

電池工作電壓從2.5V(碳負(fù)極電池:3V，電量為0%)到4.2V(電量為100%)。當(dāng)電壓小于2.5V時(shí)，電池放電終止。同時(shí)因?yàn)榉烹娀芈逢P(guān)閉使內(nèi)部保護(hù)電路的電流損耗也降為最低。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中由于不同的內(nèi)部材質(zhì)，放電終止電壓可在2.5V-3.0V范圍。當(dāng)電壓超過4.2V時(shí)，充電回路終止，以保護(hù)電池安全；而當(dāng)單體電池工作電壓降到3.0V以下，我們即可認(rèn)為過放電狀態(tài)，放電回路終止，以保護(hù)電池安全。所以電池不用時(shí)，應(yīng)將電池充電20%的電量，再進(jìn)行防潮保存。

由于鋰離子電池具有較高的能量比，因此在電池使用中要嚴(yán)格避免過充，過放的現(xiàn)象。過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，此時(shí)如果直接進(jìn)入快速沖電模式(大電流)，會對電池產(chǎn)生損害，影響使用壽命并可能因此帶來安全隱患。先以小電流(C/10)充到2.5V至3.0V，再轉(zhuǎn)換成快充是必要的。

雖然目前鋰離子電池在應(yīng)用中都帶有保護(hù)板，在通常的情況下，發(fā)生過放的幾率會很小，但不加預(yù)充功能，在這兩種情況下的情況還是可能帶來過放的隱患。一是保護(hù)板失效，二是長時(shí)間放置(5%-10%/月)的自放電率。因此小電流預(yù)充可以有效解決過放電池的充電問題。

但是，充電電流并非越大越好。以單體鋰離子電池為例，它的充電方式都包括恒流、恒壓充電過程，恒壓通常為4.2V(以LiCoO2電池為例)，恒流設(shè)置值為0.1C～1C。雖然大電流的充電會縮短充電時(shí)間，但也會造成電池生命周期的縮短和容量的降低，因此我們需選擇恰當(dāng)?shù)暮懔髦颠M(jìn)行充電。

下面是一個(gè)4.2V/900mAHLiCoO2電芯的不同電流充電與電池容量的關(guān)系曲線(圖1)，我們可以看出大約500個(gè)充放周期后，小電流充電的電池容量明顯大于大電流充電的電池容量。

恒壓充電時(shí)的電壓精度要求

作為高能量密度電池，過充會對鋰離子電池造成很大的危害，有可能會膨脹漏液甚至發(fā)生爆炸。而且過充容易造成電池里面的電解物質(zhì)加快反應(yīng)而造成電池的使用壽命減短，因此準(zhǔn)確的恒壓值充電對鋰離子電池的使用壽命而言有著重要的意義。

為了更充分地充滿電，要保證恒壓值和終止電壓值的精度在1%之內(nèi)。以鈷酸鋰離子電池為例，最好能盡可能接近4.2V，但又不超過4.2V，這種高精度的電壓充電法，可以減少鈷的溶解，穩(wěn)定LiCoO2的層狀結(jié)構(gòu)，使它的包覆不發(fā)生相變，提高循環(huán)性能，并保持高容量。此外，即使輕微的過壓也會帶來兩個(gè)現(xiàn)象的改變，電池初始容量減小和電池循環(huán)壽命降低。

在多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的情況下，為保證獲到最大的電池容量和壽命，因此有時(shí)甚至要求精度達(dá)到0.5%以內(nèi)。所以說，充電電壓的精度控制是鋰離子電池充電器的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
?前人們對鋰電池充電電壓有這樣一個(gè)誤解，認(rèn)為有了電池保護(hù)板，在電壓精度上不必關(guān)心，這是不可取的。因?yàn)殡姵乇Ｗo(hù)板目的是用于對可能的意外事故進(jìn)行及時(shí)的保護(hù)，它考慮的比較多的是安全因素，而不是性能因素。比如以4.2V的電芯為例，保護(hù)板的過壓保護(hù)參數(shù)是4.30V(有的可能會要4.4V)，假如每次都過充，以4.30V作為充電截止點(diǎn)，電池容量也會很快衰減的。

為什么需要充電定時(shí)器

曾有一家充電器廠商表示，他們以前常碰到充電器用戶來退貨，說充電器壞了，原因是電池充了一天，電池都充不飽，充電器不轉(zhuǎn)燈，一直是紅燈。可廠家對充電器實(shí)際測量時(shí)，又發(fā)現(xiàn)它是正常的，符合出廠要求。這是什么問題呢？這主要是因?yàn)檫@充電器沒考慮到電池的老化后自放電變大。如果截止充電的電流設(shè)置過小，將使得老化的電池一直達(dá)不到充電完成的設(shè)置點(diǎn)，從而使得用戶產(chǎn)生誤判，認(rèn)為充電器已壞。

充電定時(shí)器的作用就是防止已損害的或過多循環(huán)的鋰電池，在充電的截止段，由于自放電過大，使電池難以進(jìn)入EOC的狀態(tài)(高于判斷電流)，一方面給用戶帶來電池充不飽的誤判，另一方面也可能由于過長時(shí)間的充電，帶來電池過熱發(fā)生膨脹，甚至危險(xiǎn)。

針對這些因素考量，凹凸科技(O2Micro)推出的新型多串鋰離子電池充電芯片OZ8981已是一個(gè)完善的解決方案。OZ8981是一個(gè)專用的充電管理集成芯片，它帶精確電壓，電流輸出和多重保護(hù)，并提供六階段充電控制模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便且成本低。它主要針對用于輕型電動汽車，電動自行車和電動工具上多節(jié)鋰離子電池包。

高性價(jià)比和高可靠性的OZ8981包含單芯片集成充電控制器，可實(shí)現(xiàn)高效的誤差放大器輸出。它支持0V脈沖充電、預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電、截止充電、自動再充電六階段智能充電控制。支持對預(yù)充電的啟動電壓、恒流充電值、恒壓充電值及截止充電電流值進(jìn)行靈活設(shè)置。

此外，OZ8981具有高精準(zhǔn)充電電壓(<1%)和電流(<5%)輸出；通過外部電阻調(diào)整，電壓輸出精度可<0.5%。支持雙充電定時(shí)器保護(hù)：預(yù)充電定時(shí)，恒壓充電定時(shí)(最大5小時(shí)，或不使用)。支持雙溫度保護(hù)：芯片內(nèi)部溫度保護(hù)(115℃)，外部過高溫保護(hù)(默認(rèn)：44℃)和過低溫保護(hù)(默認(rèn)：2℃)。外部溫度保護(hù)點(diǎn)可外部靈活設(shè)置。支持充電過壓保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)。支持電池自動接入檢測，支持充電狀態(tài)的直接LED顯示。該器件采用通用封裝SOP16。

圖4為OZ8981鋰離子電池充電曲線圖。通過與前端PWM芯片的結(jié)合，OZ8981將幫用戶快速的實(shí)現(xiàn)安全高效且低成本的鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)。