由于鋰電池同時具有重量和體積的高能量密度特性,鋰電池已廣泛用于可攜式裝置,但是鋰電池對于過度充電及過熱極為敏感,兩種情形皆可能導(dǎo)致熱失控及電池爆裂。如何設(shè)計安全的電池充電系統(tǒng),已成為充電電池供電的裝置重大考量因素之一,本文將探討鋰電池安全性、充電電池設(shè)計、安全監(jiān)控,以及充電系統(tǒng)安全性等主要系統(tǒng)設(shè)計考量。
電池充電器IC角色關(guān)鍵
圖1顯示一般的電池充電系統(tǒng),該系統(tǒng)輸入可以是交流電(AC)墻式轉(zhuǎn)接器供應(yīng)的直流電(DC)電源,或通用序列匯流排(USB)介面供應(yīng)的DC電源。一般的電池充電系統(tǒng)包括充電前端(CFE)、電池充電器及電池組。CFE防護積體電路(IC)整合輸入過壓、過流及電池過壓等防護機制,能夠提高電池供電系統(tǒng)的安全性。電池充電器IC可調(diào)節(jié)電池充電電壓及電流,并監(jiān)控電池溫度,以延長電池使用壽命,并提高安全性。了解鋰電池特性,對于設(shè)計更安全的充電系統(tǒng)而言相當重要。
圖1 一般的電池充電系統(tǒng)
鋰電池安全性不可忽視
由于鋰電池採用活性極高的材料,因此必須注意運作溫度過高會加速電池衰減,導(dǎo)致熱失控,甚至使鋰電池爆裂的問題。如果電池在高電流下過度充電或發(fā)生短路,就會出現(xiàn)快速升溫的現(xiàn)象。
鋰電池過度充電時,活性金屬鋰就會沉積在正極上,這種材料會大幅提高火災(zāi)發(fā)生機率,因為只要接觸電解液和負極材料就會爆裂。例如,鋰/碳嵌入化合物遇水會發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而反應(yīng)產(chǎn)生的高溫可點燃釋放的氫氣。
對于4.3伏特(V)電池電壓而言,氧化鋰鈷(LiCoO2)等負極材料在溫度超過熱失控臨界值175℃時,就會與電解液發(fā)生反應(yīng)(圖2)。鋰電池採用聚烯烴(Polyolefin)等多微孔薄膜(Micro-porous Film)將正負電極加以電隔離。這些電極可達到絕佳的機械屬性與化學(xué)穩(wěn)定性,且價格合理。聚烯烴的熔點較低,介于135~165℃之間,可作為溫度保險絲。隨著溫度接近聚合物的熔點,便不再具有滲透性(Porosity),在鋰離子不再于電極之間流動時關(guān)閉電池。
圖2 電池?zé)崾Э?/p>
此外,正向溫度係數(shù)(PTC)裝置和安全出口(Vent)能提供額外防護,一般而言,負極終端外殼通常採用鍍鎳鋼鐵。外殼封閉后,金屬粒子會污染電池內(nèi)部。這些粒子會隨著時間進入分離器,導(dǎo)致電池正負極兩側(cè)之間的絕緣層衰減,這會造成正負極之間的微小短路,使電子自由流動,最終導(dǎo)致電池故障。這種故障通常只會導(dǎo)致電池電量耗盡,無法正常運作。在極罕見情況下,電池會出現(xiàn)過熱、融化、起火甚至爆裂等現(xiàn)象。
安全電池充電器設(shè)計三部曲
圖3顯示常用的鋰電池充電配置,鋰電池充電包括叁個階段,首先是預(yù)先充電,接著是快速充電穩(wěn)定電流(CC),最后是穩(wěn)定電壓(CV)。在預(yù)先充電中,電池以低速率充電。電池電壓低于3.0伏特時,充電速率通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態(tài)下,長期沉積后可能溶解,便可逐漸恢復(fù)。此外,過度放電的陽極短路電池上出現(xiàn)部分銅分解時,預(yù)先充電可防止在1℃充電速率(可在1個小時內(nèi)使電池完全放電的電流)下出現(xiàn)過熱狀況。
圖3 鋰電池充電配置
預(yù)先充電安全計時器,可避免電量耗盡的電池長時間充電。一般而言,電池電壓達到3.0伏特,充電器就會進入CC階段??焖俪潆婋娏魍ǔO薅ㄔ?.5~1℃之間,以避免過熱導(dǎo)致電池加速衰減。速率必須慎選,確保電池溫度不超過45℃,以快速充電速率進行電池充電,直至電壓達到調(diào)節(jié)限度(對于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特)為止。充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并進入CV階段,此時充電電流會等比下降至預(yù)先定義的終止程度,結(jié)束電池充電。
對于電池使用壽命及安全性而言,電池充電電壓的準確性相當重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量,但是會縮短電池使用壽命,如圖4所示。對于±2.5%容差的電池充電電壓而言,充電電壓可能會達到4.3伏特,這會導(dǎo)致熱失控及安全性問題。為避免電池高溫充電,并提高安全性,充電器IC必須監(jiān)控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全範圍內(nèi)(0~45℃)時,電池才能充電,電池組通常會利用電熱調(diào)節(jié)器讓溫度達到安全範圍。此外,通常須要快速充電安全計時器,避免電量耗盡的電池長時間充電。一旦經(jīng)過安全時間,即便電池未達到充電終止電流狀態(tài),電池充電器也必須結(jié)束充電。
圖4 LiCoO2陰極鋰電池的充電電壓與使用壽命之間的關(guān)係
使用高度整合式線性電池充電器為單顆鋰電池充電相當普遍,因為這類充電器符合可攜式裝置的設(shè)計簡化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設(shè)計難題,在于使電池充電器維持在安全溫度運作範圍內(nèi),同時盡可能降低產(chǎn)生的熱量。最新開發(fā)的電池充電器具備散熱調(diào)節(jié)功能,能夠達到最高的充電速率,并且盡可能縮短充電時間,同時解決散熱問題。
線性充電器只是將轉(zhuǎn)接器的DC電壓調(diào)降至電池電壓的程度。線性充電器的功耗計算如下:
充電器從預(yù)先充電轉(zhuǎn)換為快速充電模式,且達最高功耗時,輸入電壓與電池電壓間的差異便相當大。例如,若使用5伏特轉(zhuǎn)接器為1,200毫安培小時(mAh)鋰電池充電,當充電電流為1安培(A)且電池電壓為3.2伏特時,最大功耗即為1.8瓦(W)。對于熱阻抗為47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面無接腳封裝(QFN),功耗會造成溫度升高85℃。接點溫度會超過允許的操作溫度上限(45℃環(huán)境溫度下為125℃)。確保良好的散熱設(shè)計在開始充電時,將接點溫度維持在安全範圍內(nèi),是一項相當困難的工作。在充電過程中,隨著電池電壓升高,功耗也會逐漸下降。
散熱調(diào)節(jié)迴路可避免充電器過熱
如何確保充電器維持在安全溫度運作範圍內(nèi),并提升散熱設(shè)計是一大挑戰(zhàn),較進階的電池充電器採用散熱調(diào)節(jié)迴路避免充電器過熱。內(nèi)部晶片溫度達到預(yù)先定義的溫度臨界值時,如110℃,后續(xù)的IC溫度提高,都會減少充電電流,如此即可限制功耗,提升充電器的過熱防護。導(dǎo)致IC接點溫度達散熱調(diào)節(jié)程度的最大功耗,取決于印刷電路板(PCB)配置、散熱通孔數(shù)及環(huán)境溫度(圖5)。
圖5 電池充電器的一般應(yīng)用電路
散熱迴路運作時,充電電流會達到充電終止臨界值,這會導(dǎo)致錯誤終止充電,因為散熱調(diào)節(jié)功能通常是在快速充電的早期階段啟動。為避免錯誤終止充電,只要散熱調(diào)節(jié)迴路處于運作狀態(tài),就不會使電池充電終止。此外,有效充電電流也會減少,使電池充電時間增加,因此,固定式安全計時器可能導(dǎo)致充電安全計時器錯誤終止。先進的電池充電器採用可自動減速時脈頻率的動態(tài)安全計時器,動態(tài)計時器控制電路可有效延長安全計時器持續(xù)時間,大幅降低安全計時器因散熱調(diào)節(jié)引起的故障機率。
加入第二層過壓防護提高電池安全性
如何才能提高系統(tǒng)層級充電的安全性和可靠性呢?一般可採用許多不同的轉(zhuǎn)接器為可攜式裝置供電,但不同的製造商往往採用不同的電流規(guī)格,使得可攜式裝置的系統(tǒng)設(shè)計人員必須克服技術(shù)難題,在使用不同轉(zhuǎn)接器時滿足各種安全要求,其中的困難包括輸入過壓、輸入過流、電池過壓及反向輸入電壓,這些都會造成系統(tǒng)損壞。
轉(zhuǎn)接器熱插拔、轉(zhuǎn)接器錯誤、暫態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)過壓等問題,都可能導(dǎo)致輸入過壓。當轉(zhuǎn)接器熱插入時,纜線電感與系統(tǒng)輸入解耦合電容之間的諧振會導(dǎo)致過壓。對于獨立式充電器而言,輸入過流可能不會造成問題,因為穩(wěn)定電流模式會限制供應(yīng)給輸出或電池的電流量。不過,對于系統(tǒng)輸入有直接電源路徑的先進電池充電器而言,在輸入過多電流時通常沒有任何防護。
長期以來,設(shè)計人員對于轉(zhuǎn)接器在電流限制模式下運作有些顧慮,希望可程式輸入電流限制電路能確保轉(zhuǎn)接器不進入此模式。鋰離子/鋰聚合物電池組在高溫下過度充電,可能會發(fā)生危險的燃燒狀況。過度充電的跡象就是電池電壓升高。愈來愈多製造商都在尋找可確保電池組安全性與規(guī)範的安全措施,若要提高電池安全性,可加入第二層過壓防護移除輸入電源,在偵測電池過壓時關(guān)閉CFE功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)即可。
圖6顯示一般系統(tǒng)層級CFE電路。高電壓防護CFE可將高輸入電壓與低壓充電器及系統(tǒng)相隔離,以免系統(tǒng)出現(xiàn)高電壓。整合所有安全功能,包括輸入電流限制與防護、輸入電壓防護及電池過壓防護。無論出現(xiàn)何種故障狀況,CFE都會關(guān)閉MOSFET進行適當防護,以提升整體系統(tǒng)安全性。
圖6 一般的系統(tǒng)層級CFE電路
依據(jù)電池特性、充電器IC設(shè)計,以及系統(tǒng)層級安全考量,對設(shè)計更安全的電池充電系統(tǒng)相當重要,運用CFE、電池充電器IC及電池組的安全防護機制,充電系統(tǒng)可發(fā)揮更穩(wěn)定的安全效能。完全整合式CFE可提高充電系統(tǒng)層級安全性,而更安全的電池充電器設(shè)計可延長電池使用壽命,并避免過度充電的危險。
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