鋰電池充電方案分析課件

鋰電池充電方案分析鋰電池充電方案分析1鋰離子電池

鋰是鋰電池的核心，是最輕的金屬元素。鋰離子電池的前世。早期鋰電池的負(fù)極為金屬鋰，金屬鋰的化學(xué)活性太大，充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生枝晶效應(yīng)從而使電池短路。后發(fā)現(xiàn)鋰可與其他金屬形成合金，活性要小很多，且鋰在很多層狀結(jié)構(gòu)中可逆的嵌入與脫出。嵌鋰化合物餓出現(xiàn)奠定的鋰離子電池的技術(shù)基礎(chǔ)。鋰離子電池的今生。通過鋰離子的傳遞來完成充放電。由正極，負(fù)極，隔膜，電解質(zhì)組成。鋰離子電池的來世。

發(fā)展新的正負(fù)極材料，如部分動(dòng)力電池，負(fù)極LiC+正極LiMn2O4

鋰聚合物電池。在正、負(fù)電極粘結(jié)劑、電解質(zhì)三者中任何一種使用高分子高分子聚合物的鋰離子電池就可以成為鋰聚合物電池。現(xiàn)在常見的是使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質(zhì)的鋰聚合物電池。鋰離子電池鋰是鋰電池的核心，是最輕的金屬元素。發(fā)展新的正2鋰離子電池的化學(xué)原理充電正極反應(yīng)：LiCoO2放電xLi++xe-+Li1-xCoO2放電負(fù)極反應(yīng)：6C+xe+xLi+LixC6充電電解液LiPF6(氟磷酸鋰）+EC(碳酸乙烯酯）+DMC(碳酸二甲酯)充電時(shí)鋰離子從正極層狀物的晶格間脫出，通過電解液遷移到層狀負(fù)極表面后嵌入到石墨材料晶格中，同時(shí)剩余電子從外電路到達(dá)負(fù)極。放電則相反，鋰離子從石墨晶格中脫出回到正極氧化物晶格中鋰離子電池的化學(xué)原理充電正極反應(yīng)：LiCoO2放電xLi++3負(fù)極枝晶效應(yīng)在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進(jìn)入電解液，在充電器附加的外電場作用下向負(fù)極移動(dòng)，依次進(jìn)入石墨或焦炭C組成的負(fù)極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，會(huì)使得Li+來不及進(jìn)入負(fù)極柵格，在負(fù)極附近的電解液中就會(huì)聚集Li+，這些靠近碳C負(fù)極的Li+很可能從負(fù)極俘獲一個(gè)電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會(huì)在負(fù)極附近堆積、長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。另一種情形，隨著負(fù)極的充滿程度越高，LiC晶格留下的空格越少，從正極移動(dòng)過來的Li+找到空格的機(jī)會(huì)就困難，時(shí)間就越長。如果充電速度不變的話，一樣可能在負(fù)極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段必須逐步縮小充電電流。枝晶的長大會(huì)刺破正負(fù)級之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂螅潆姷乃俣仍娇煸轿ｋU(xiǎn)，充電終止的電壓越高也就越危險(xiǎn)，充電的時(shí)間越長也越危險(xiǎn)。負(fù)極枝晶效應(yīng)在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，4鋰離子電池的使用和保護(hù)

高壓危險(xiǎn)區(qū)-----------------------------------------保護(hù)線路過充保護(hù)電壓(4.275~4.35V)

高壓警戒區(qū)-----------------------------------------鋰離子電池充電限制電壓4.20V

正常使用區(qū)-----------------------------------------鋰離子電池放電終止電壓(2.75~3.00V)

低壓警戒區(qū)----------------------------------------保護(hù)線路過放保護(hù)電壓(2.3~2.5V)

低壓危險(xiǎn)區(qū)鋰離子電池的使用和保護(hù)高壓危險(xiǎn)區(qū)5ChargeProfileChargeProfile6鋰離子電池的幾個(gè)基本充電原則

充電電流要求，瞬時(shí)值小于5C，平均值小于1.2C充電電壓都不能超過4.275V，考慮到實(shí)際的一些誤差，一般充電電壓設(shè)定不能超過4.2V充電終止后不能再接受涓流充電，即在達(dá)到4.2V充電完成后必須切斷充電違背上述原則會(huì)產(chǎn)生枝晶效應(yīng)，長期違背會(huì)對電池的壽命產(chǎn)生極大影響并可能會(huì)有安全問題鋰離子電池的幾個(gè)基本充電原則充電電流要求，瞬時(shí)值小于5C，7充電終止電壓對電芯壽命的影響

充電終止電壓越高，電池壽命越短在4.2V附近，1%的電壓誤差會(huì)導(dǎo)致壽命變化1/3充電終止電壓對電芯壽命的影響充電終止電壓越高，電池壽命越短8充電終止電壓對容量的影響1%的終止電壓的變化，會(huì)使容量改變8%

過充電會(huì)使容量看起來更大，欠充電會(huì)使容量得不到充分的利用因此，終止電壓的精度是一個(gè)非常重要的參數(shù)充電終止電壓對容量的影響1%的終止電壓的變化，會(huì)使容量改變9一，帶Powerpathselector以及動(dòng)態(tài)電源管理,PWM充電----實(shí)例BQ24133一，帶Powerpathselector以及動(dòng)態(tài)電源管理BQ24133為帶動(dòng)態(tài)管理及路徑管理的充電芯片，如上圖所示：1，Q1,Q2為前端的背對背N-MOS，當(dāng)AC插入時(shí)，Q1Q2為導(dǎo)通狀態(tài)，無AC插入時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)。2，R1,R2為高精度小電阻，R1用于偵測負(fù)載端的耗流，R2 用于偵測充電電流，當(dāng)負(fù)載加重時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)調(diào)整減小充電電流。3，Q3為AC與Battery供電的切換的開關(guān)，AC在時(shí)關(guān)閉，無AC時(shí)導(dǎo)通。4，BQ24133在AC存在的時(shí)候后端的輸出仍為AC輸入的電壓。5，充電為DC-DC充電，效率高，損耗小，發(fā)熱量小。6，可支持對1，2，3CELL三種電池的充電BQ24133為帶動(dòng)態(tài)管理及路徑管理的充電芯片，如上圖所示：11下圖為實(shí)際的用BQ24133對2cell7.4V2150mAh電池的充電曲線下圖為實(shí)際的用BQ24133對2cell7.4V2150

比線性方式設(shè)計(jì)復(fù)雜，需增加外圍的MOS和電感,需充分考慮MOS的熱耗散和內(nèi)阻以及電感的過流能力充電高效率，一個(gè)好的PWM的充電效率在80%~95%之間不需要特別的考慮散熱措施，PWM的充電的熱耗散量只有線性充電的30%~60%PWM充電的實(shí)際設(shè)計(jì)考量比線性方式設(shè)計(jì)復(fù)雜，需增加外圍的MOS和電感,需充分考慮M13二，帶Powerpathselector以及動(dòng)態(tài)電源管理，電壓轉(zhuǎn)換，線性充電----實(shí)例BQ24070二，帶Powerpathselector以及動(dòng)態(tài)電源管理14BQ24070最大支持2A輸入，1.5A充電電流，帶動(dòng)態(tài)電源管理功能，通過DPPMPin設(shè)定一個(gè)Vdppm電壓，當(dāng)后端輸出電壓跌落小于Vdppm時(shí)，Q2開始調(diào)整充電電流。當(dāng)后端電壓跌落到電池電壓下，充電電流開始減小為0，電池開始同時(shí)向負(fù)載供電。BQ24070最大支持2A輸入，1.5A充電電流，帶15BQ24070DPPM功能曲線圖BQ24070DPPM功能曲線圖16BQ24070充電測試1Cell電池樣品1BQ24070充電測試1Cell電池樣品1BQ24070充電測試1Cell電池樣品2BQ24070充電測試1Cell電池樣品2三，帶Powerpathselector，電壓轉(zhuǎn)換，線性充電----實(shí)例MC13892三，帶Powerpathselector，電壓轉(zhuǎn)換，線性19MOS管M1與M2起到電壓轉(zhuǎn)換以及控制充電電流的作用，所有的壓降的損耗承受在M1與M2上面，發(fā)熱量會(huì)很大MC13892對3300mAh電池實(shí)際充電曲線MOS管M1與M2起到電壓轉(zhuǎn)換以及控制充電電流的作用設(shè)計(jì)簡單小功率時(shí)成本很低低噪聲如待充電電池的電壓在3V-4.1V之間，adapter的輸出電壓為5V，則線性的充電效率就在60%~82%之間，假設(shè)充電電流1A，則在充電芯片上的損耗則為2w~0.8w之間，對便攜式設(shè)備來說，就會(huì)存在散熱的問題。線性充電的實(shí)際設(shè)計(jì)考量設(shè)計(jì)簡單線性充電的實(shí)際設(shè)計(jì)考量21充電方法的選擇

在小電流低壓差時(shí)首選線性充電方法在大電流和高壓差時(shí)首選PWM充電方法

簡單低成本手機(jī)MP3等

高效率快速充電筆記本平板電腦等充電方法的選擇在小電流低壓差時(shí)首選線性充電方法22TheEndThanksTheEndThanks23鋰電池充電方案分析鋰電池充電方案分析24鋰離子電池

鋰是鋰電池的核心，是最輕的金屬元素。鋰離子電池的前世。早期鋰電池的負(fù)極為金屬鋰，金屬鋰的化學(xué)活性太大，充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生枝晶效應(yīng)從而使電池短路。后發(fā)現(xiàn)鋰可與其他金屬形成合金，活性要小很多，且鋰在很多層狀結(jié)構(gòu)中可逆的嵌入與脫出。嵌鋰化合物餓出現(xiàn)奠定的鋰離子電池的技術(shù)基礎(chǔ)。鋰離子電池的今生。通過鋰離子的傳遞來完成充放電。由正極，負(fù)極，隔膜，電解質(zhì)組成。鋰離子電池的來世。

發(fā)展新的正負(fù)極材料，如部分動(dòng)力電池，負(fù)極LiC+正極LiMn2O4

鋰聚合物電池。在正、負(fù)電極粘結(jié)劑、電解質(zhì)三者中任何一種使用高分子高分子聚合物的鋰離子電池就可以成為鋰聚合物電池?，F(xiàn)在常見的是使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質(zhì)的鋰聚合物電池。鋰離子電池鋰是鋰電池的核心，是最輕的金屬元素。發(fā)展新的正25鋰離子電池的化學(xué)原理充電正極反應(yīng)：LiCoO2放電xLi++xe-+Li1-xCoO2放電負(fù)極反應(yīng)：6C+xe+xLi+LixC6充電電解液LiPF6(氟磷酸鋰）+EC(碳酸乙烯酯）+DMC(碳酸二甲酯)充電時(shí)鋰離子從正極層狀物的晶格間脫出，通過電解液遷移到層狀負(fù)極表面后嵌入到石墨材料晶格中，同時(shí)剩余電子從外電路到達(dá)負(fù)極。放電則相反，鋰離子從石墨晶格中脫出回到正極氧化物晶格中鋰離子電池的化學(xué)原理充電正極反應(yīng)：LiCoO2放電xLi++26負(fù)極枝晶效應(yīng)在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進(jìn)入電解液，在充電器附加的外電場作用下向負(fù)極移動(dòng)，依次進(jìn)入石墨或焦炭C組成的負(fù)極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，會(huì)使得Li+來不及進(jìn)入負(fù)極柵格，在負(fù)極附近的電解液中就會(huì)聚集Li+，這些靠近碳C負(fù)極的Li+很可能從負(fù)極俘獲一個(gè)電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會(huì)在負(fù)極附近堆積、長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。另一種情形，隨著負(fù)極的充滿程度越高，LiC晶格留下的空格越少，從正極移動(dòng)過來的Li+找到空格的機(jī)會(huì)就困難，時(shí)間就越長。如果充電速度不變的話，一樣可能在負(fù)極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段必須逐步縮小充電電流。枝晶的長大會(huì)刺破正負(fù)級之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂?，充電的速度越快越危險(xiǎn)，充電終止的電壓越高也就越危險(xiǎn)，充電的時(shí)間越長也越危險(xiǎn)。負(fù)極枝晶效應(yīng)在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，27鋰離子電池的使用和保護(hù)

高壓危險(xiǎn)區(qū)-----------------------------------------保護(hù)線路過充保護(hù)電壓(4.275~4.35V)

高壓警戒區(qū)-----------------------------------------鋰離子電池充電限制電壓4.20V

正常使用區(qū)-----------------------------------------鋰離子電池放電終止電壓(2.75~3.00V)

低壓警戒區(qū)----------------------------------------保護(hù)線路過放保護(hù)電壓(2.3~2.5V)

低壓危險(xiǎn)區(qū)鋰離子電池的使用和保護(hù)高壓危險(xiǎn)區(qū)28ChargeProfileChargeProfile29鋰離子電池的幾個(gè)基本充電原則

充電電流要求，瞬時(shí)值小于5C，平均值小于1.2C充電電壓都不能超過4.275V，考慮到實(shí)際的一些誤差，一般充電電壓設(shè)定不能超過4.2V充電終止后不能再接受涓流充電，即在達(dá)到4.2V充電完成后必須切斷充電違背上述原則會(huì)產(chǎn)生枝晶效應(yīng)，長期違背會(huì)對電池的壽命產(chǎn)生極大影響并可能會(huì)有安全問題鋰離子電池的幾個(gè)基本充電原則充電電流要求，瞬時(shí)值小于5C，30充電終止電壓對電芯壽命的影響

充電終止電壓越高，電池壽命越短在4.2V附近，1%的電壓誤差會(huì)導(dǎo)致壽命變化1/3充電終止電壓對電芯壽命的影響充電終止電壓越高，電池壽命越短31充電終止電壓對容量的影響1%的終止電壓的變化，會(huì)使容量改變8%

過充電會(huì)使容量看起來更大，欠充電會(huì)使容量得不到充分的利用因此，終止電壓的精度是一個(gè)非常重要的參數(shù)充電終止電壓對容量的影響1%的終止電壓的變化，會(huì)使容量改變32一，帶Powerpathselector以及動(dòng)態(tài)電源管理,PWM充電----實(shí)例BQ24133一，帶Powerpathselector以及動(dòng)態(tài)電源管理BQ24133為帶動(dòng)態(tài)管理及路徑管理的充電芯片，如上圖所示：1，Q1,Q2為前端的背對背N-MOS，當(dāng)AC插入時(shí)，Q1Q2為導(dǎo)通狀態(tài)，無AC插入時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)。2，R1,R2為高精度小電阻，R1用于偵測負(fù)載端的耗流，R2 用于偵測充電電流，當(dāng)負(fù)載加重時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)調(diào)整減小充電電流。3，Q3為AC與Battery供電的切換的開關(guān)，AC在時(shí)關(guān)閉，無AC時(shí)導(dǎo)通。4，BQ24133在AC存在的時(shí)候后端的輸出仍為AC輸入的電壓。5，充電為DC-DC充電，效率高，損耗小，發(fā)熱量小。6，可支持對1，2，3CELL三種電池的充電BQ24133為帶動(dòng)態(tài)管理及路徑管理的充電芯片，如上圖所示：34下圖為實(shí)際的用BQ24133對2cell7.4V2150mAh電池的充電曲線下圖為實(shí)際的用BQ24133對2cell7.4V2150

比線性方式設(shè)計(jì)復(fù)雜，需增加外圍的MOS和電感,需充分考慮MOS的熱耗散和內(nèi)阻以及電感的過流能力充電高效率，一個(gè)好的PWM的充電效率在80%~95%之間不需要特別的考慮散熱措施，PWM的充電的熱耗散量只有線性充電的30%~60%PWM充電的實(shí)際設(shè)計(jì)考量比線性方式設(shè)計(jì)復(fù)雜，需增加外圍的MOS和電感,需充分考慮M36二，帶Powerpathselector以及動(dòng)態(tài)電源管理，電壓轉(zhuǎn)換，線性充電----實(shí)例BQ24070二，帶Powerpathselector以及動(dòng)態(tài)電源管理37BQ24070最大支持2A輸入，1.5A充電電流，帶動(dòng)態(tài)電源管理功能，通過DPPMPin設(shè)定一個(gè)Vdppm電壓，當(dāng)后端輸出電壓跌落小于Vdppm時(shí)，Q2開始調(diào)整充電電流。當(dāng)后端電壓跌落到電池電壓下，充電電流開始減小為0，電池開始同時(shí)向負(fù)載供電。BQ24070最大支持2A輸入，1.5A充