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鋰離子電池充放電安全簡介及電池檢測設(shè)計

作者: 時間:2014-08-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  手機的電池充電安全性日益受到消費者重視,因此充電器制造商在設(shè)計產(chǎn)品時,須掌握電池的相關(guān)規(guī)格和特性,并使用具備完善及保護功能的充電芯片,以降低過電流、過電壓或過溫等狀況所造成的危險。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/256785.htm

  隨著科技進步、生活質(zhì)量提升,電子產(chǎn)品的蹤跡到處可見,其中又以手機為人類生活中不可或缺的必需品。不論是早期黑金剛手機或現(xiàn)今功能強大的智能手機,皆需要電源才能運作。

  早期手機的電池主要有二種,一是鎳氫、鎳鎘電池,二是電池,但現(xiàn)在使用鎳氫、鎳鎘電池來做為電源的手機,已經(jīng)是非常的少見,絕大部分都是使用鋰離子電池,尤其消費者希望手機待機時間更長,且體積要更小,所以鎳氫、鎳鎘電池已經(jīng)慢慢不能符合消費者的期望而被淘汰。 雖然鎳氫、鎳鎘電池在價格以及替代電池取得的便利性優(yōu)于鋰離子電池,在其他電子產(chǎn)品上仍舊可看到鎳氫、鎳鎘電池的蹤跡;但是,在體積、重量及容量方面,鎳氫、鎳鎘電池皆不如鋰離子電池,所以現(xiàn)今標(biāo)榜著輕薄短小的電子產(chǎn)品,幾乎都是使用鋰離子電池。

  智能型手機因其功能強大、屏幕耗電量大,更是需要電池容量大及電力更耐久的鋰離子電池。當(dāng)手機電池電量不足時,使用者通常會以充電器或搭配一組移動電源隨時對電池進行充電。

  體積/容量兼具 鋰離子電池為電子產(chǎn)品首選

  充電電池依其材質(zhì)的不同可分為四類:鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。

  

 

  表1 充電電池比較表

  由表1優(yōu)缺點看來,鎳鎘、鎳氫及鋰離子電池較適合使用在電子產(chǎn)品上;而鋰離子電池?zé)o論是在體積、重量及容量(電子產(chǎn)品的使用時間)較優(yōu)于鎳鎘、鎳氫電池,也無記憶效應(yīng)的問題,所以鋰離子電池在電子產(chǎn)品使用上似乎方便許多。

  延長使用壽命 鋰離子電池充/放電壓成關(guān)鍵

  一般來說,鋰離子電池會有電性安全的范圍限制。由于鋰離子電池的特性,當(dāng)電池電壓在充電時上升到最高設(shè)定電壓后,要立即停止充電,避免電池因過充電造成電池損毀而產(chǎn)生危險;電池供電(放電)時,電池電壓如果降至最低設(shè)定電壓以下便要停止放電,避免因過放電而降低使用壽命。

  此外,為確保電池使用上的安全,鋰離子電池還必須要加裝短路保護,以避免發(fā)生危險;即使大多數(shù)的鋰離子電池都有加裝保護電路,然而在選擇優(yōu)質(zhì)的充電器或移動電源時,這仍然是一項重要的考量因素。

  鋰離子電池充電器首重安全

  充電器是將電池充至其額定電壓的設(shè)備,而鋰離子電池充電器必須具備以下幾點特性:

  .可提供固定電流給充電電池

  當(dāng)電池電壓到達最大值且不再上升時,其充電電流便會開始下降,如此可避免對電池過度充電,造成電池損傷;當(dāng)充電電流降至一定程度時,充電器將停止充電。

  .確保電池具備可使用電壓

  電池在充電完成后,若長時間放置不使用會有自然放電的情形出現(xiàn),為避免電池過度自放電導(dǎo)致電池電壓下降,當(dāng)電池電壓低于所設(shè)定電壓時,充電器會重新開始對電池充電,確保電池在使用時還能維持一定電壓。

  四階段充電簡述

  以下使用沛亨半導(dǎo)體的充電集成電路(IC)--AIC6511做鋰離子電池充電簡介,圖1為鋰離子電池充電曲線圖:

  

 

  圖1 鋰離子電池充電曲線圖

  .Trickle Charge or Pre-Charge

  此時的鋰離子電池電壓小于3伏特(V),當(dāng)充電器開始對電池充電時,因鋰離子電池的特性,其內(nèi)部阻抗會很大,故充電器會先以一微小電流對電池進行充電,此時電池電壓持續(xù)上升。

  .定電流充電(Constant Current Charge, CC Charge)

  當(dāng)電池充電電壓上升至約3伏特時,充電器改以最大充電電流對電池進行定電流充電,此時電池電壓持續(xù)上升。

  .定電壓充電(Constant Voltage Charge, CV Charge)

  當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點電壓約4.2伏特時,充電器改以定電壓模式對電池進行充電,此時充電電流開始下降。

  .Charge Full

  當(dāng)充電電流降至微小電流時,充電器停止對電池充電。

  電池在充電完成后,若長時間放置不使用會有自然放電的情形出現(xiàn),為避免電池過度放電導(dǎo)致電池電壓下降,電源IC在鋰離子電池電壓降至4伏特時,會重新開始對電池進行CC Charge模式充電,確保電池在使用時還能維持一定電壓。

  鋰離子電池充電周期

  因鋰離子電池的特性,若鋰離子電池在充電之前已深度放電,此時充電器會先以微弱電流對電池進行Pre-Charge充電(各家廠商設(shè)定值不同,本文使用范例的充電IC設(shè)定值約為10%的最大充電電流),充電時電池電壓上升。

  當(dāng)電池電壓上升至約3伏特,充電器改以最大充電電流對電池進行CC Charge,電池電壓持續(xù)上升。

  當(dāng)電池充電電壓上升至接近鋰離子電池的飽和點電壓約4.2伏特時,充電器改以CV Charge對電池進行充電,此時充電電流開始下降,當(dāng)充電電流降至約等于Pre-Charge電流時,充電器停止對電池充電,即完成充電。

  不論是用通用序列總線()或AC電源轉(zhuǎn)換器(Adapter)輸入電源對電池充電,當(dāng)電池開始充電后,若充電時間超過其設(shè)定時間,充電器仍然操作于Pre-Charge模式而未進入CC Charge模式,或者仍然操作于CC/CV Charge模式而未進入充電完成狀態(tài),則透過IC的充電計時保護功能使充電器停止對電池充電。

  充電計時保護確保電池安全

  圖2為本文范例充電IC的腳位示意圖,充電計時保護時間由IC外部TMR腳位(Pin 15)的電容CTMR設(shè)定,CTMR選擇方式如下:

  

 

  圖2 AIC6511腳位示意圖

  .Pre-Charge充電時間:

  

 

  ……(Minutes)

  .完整充電時間:

  

 

  ……Minutes)

  若電池在充電狀態(tài)下,充電時間已超過使用者所設(shè)定的充電計時保護時間,但充電器卻仍尚未脫離當(dāng)前的充電狀態(tài)或結(jié)束充電,這時IC的充電計時保護功能就會立即啟動,迫使充電器停止對電池充電(圖3),此時的STAT1(Pin 12)位準(zhǔn)為High,LED1指示燈為不亮(圖4);若將TMR(Pin 15)腳位連接至GND(Pin 6)腳位,便可以解除使充電計時保護功能。

  

 

  圖3 充電器是否正確檢測電池充電情形,對于使用安全至關(guān)重要

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