移动电话电池见解

陳吉宏 報告 專題報告 行動電話電池簡介 報告主題 : „ 名詞解釋 „ 二次電池分類 „ 特性比較 „ 鋰離子電池特性與安全 結構/化學特性/充電特性/放電特性/壽命/溫度特性 自我放電特性/安全項目/安全管制者 „ 鋰電池組的組成 overview/保護模組/二重保護裝置/ „ 設計導入的幾點考量 電池的決定/充電的決定/截止判別/不同電池的判別/ 放電問題/殼具問題 名詞解釋一 ƒ Capacity : 容量, 指電池在經過一個標準的充電程 序後,以一標準的放程序所能釋放出的能量. 單位為 mAh 或 Ah 或 Wh . ƒ C : 容量電流,指電池在經過一個標準的充電程序後, 用以在一小時整放電 致一標準電壓所須的電流值. ƒ 一次電池 : 只能用一次的電池, 如碳鋅電池, 水銀 電池,鹼性電池… ƒ 二次電池 : 可重覆使用的電池, 如鎳氫電池, 鎳鎘電池, 鋰離子電池 … 名詞解釋二 „ CC/CV : Constant Current / Constant Voltage 定電流/定電壓, 鋰離子電池常用的充電方式之一. „ 記憶效應 : 鎳氫及鎳鎘電池在充電時的特殊現象. 當電池電量未被釋放完全時即進行充電動作, 此時 殘存的電量會在外加電壓的催化下使電池內部材料 發生逆反應,進而減低電池容量. 放電時,當電壓下降至前一次的啟始充電壓時,電壓 會急速下降. „ NTC : 負溫度系數熱敏電阻. „ CELL : 指未經任何組裝的電池,一般亦稱“電池芯”. 二次電池分類 ƒ 依使用場合分類 : 車用, 醫療用, 工具用, 攜帶式電子設備用, 長效 備用…. ƒ 依使用的材料分類 : 鉛酸電池, 鎳鎘電池, 鎳氫電池, 燃料電池, 鋰離 子電池, 鋰高分子電池, 鋅空氣電池 … ƒ 鋰離子電池的細分類 : 鋰錳, 鋰鈷 … ƒ 鋰高分子電池的細分類 : 多孔性固態高分子, 膠態高分子, 乾式固態高分子… 特性比較 CC/CV無差450~ 850 800>75%700~ 1500 120~ 200 鋰高分子 Li-SPE 100 ~180 70 ~ 150 40 ~ 70 35~50 能量比 wh/kg CC/CV無差350~ 700 500>95%400~ 800 鋰離子 Li-ion 複雜略可200~ 350 700~ 1400 >70%100~ 250 鎳氫 Ni-MH 複雜嚴重良100~ 300 500~ 800 >75%600~ 1200 鎳鎘 Ni-Cd 限電壓, 流 無優100~ 500 300~ 500 >80%150~ 400 鉛酸 Pb/PbD 充電 方式 記憶 效應 耐過荷成本 $/kwh 循環壽 命 cycle 充放 效率% 功率比 W/kg 鋰離子電池特性與安全 „ 結構 : 圓桶形 使用於容量較大電池 如18650size1800mAh „結構 : 角形 容量較小的電池內部無 PTC 鋰離子電池特性與安全 „ 化學式: (鋰鈷) charge LiCoMO2 + Cn Li-xCoMO2 + CnLix discharge 電壓過高 : 鋰離子與氧析出, 反應不可逆. 造成膨脹, 或氣閥沖開, 氣體中含氧氣,汽化電解液及離子化鋰金屬,極易燃. 電壓過低 : 1.鋰離子與碳安定結合,在內部形成阻抗及容量減低. 2.鋰離子形成安定的固態鋰金屬,容量減少,且易刺穿絕 緣層造成內部短路. 電流過大 : 1.充電電流大於反應吸收.多餘的電流轉成熱能.並在內部造成 局部電壓過高.可能引發過熱/膨脹等反應. 2.放電電流大於反應釋出.可能引發過熱及內部電壓過低. 鋰離子電池特性與安全 „鋰的特性 : 1. 鋰原子外層電子數為1個,因趨8性使它易抓住另外的電子或釋放惟一 的電子.故用做儲能材料. 2. 鋰鈉鉀銣銫鍅系列為高活性物質,其中鋰金屬遇水會快速反應 , 效果接 近爆炸. 鋰離子電池特性與安全 „ 充電特性 : 充電方式 : CC / CV 截止條件: 電流到達/時間到達 鋰離子電池特性與安全 „ 不同充電電流 : 較大的充電電流易使鋰電池的使用壽命減短. 以約 0.2C 以下的充電效率最高及使用次數最多 一般以0.5 ~ 0.8C做為快充標準. 鋰離子電池特性與安全 „ 放電特性 : 較小的電流可充份使用容量. 0 1 2 3 4 5 6 Discharge Time (hours) 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 V o l t a g e ( V ) 140 mA (725 mAh) 350 mA (718 mAh) 700 mA (701 mAh) 1400 mA (678 mAh) Charge: 0.2 C, 4.2 V, I<10 mA Discharge: n C, 3 V cut off Temp.: 23 C n = 0.2, 0.5, 1, 2 o 鋰離子電池特性與安全 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Discharge C-rate 0 20 40 60 80 100 120 C a p a c i t y ( % ) Charge: n C, 4.2 V, I<10 mA Discharge: n C, 3 V cut off Temp.: 23 C n = 0.2, 0.5, 1, 2 o 100 % 99 % 97.9 % 87.6% „ 放電 : 不同放電電流在容量上的比較. 鋰離子電池特性與安全 „ LIFE CYCLE : 一般以1C充放500次之後,電池容量仍有新品80%為標準. 以較小放電電流,可以得到較長的使用壽命. 以較小的工作電壓區間,可以得到較長的使用壽命. 鋰離子電池特性與安全 鋰離子電池特性與安全 „ LIFE CYCLE : 可以用標準條件充放電幾次只是 “標準”. 用大電流充到飽/放到完會折損電池壽命,但可以較快量出電池性能. 我們關心的是使用者可使用的總時數. 每次都用50%就充電, 500次之後性能不會只有80%,而會更高. „ 溫度特性 : „ 放電時溫度的影響 : 電解液在-20度時已接近固態,此時做為傳導的特性變差. 整體電池活性在高溫時較活潑,可得稍大的放電量. 高溫會使電池壽命嚴重縮短. 電解液約60度時開始快速揮發,90度時開沸騰. 0.5C放電/溫度曲線 1C放電/溫度曲線 鋰離子電池特性與安全 „ 放電時溫度的影響 : 不同放電速率及溫度對容量曲線 鋰離子電池特性與安全 „ 自我放電特性 : 自我放電路徑主要來自併聯等效電阻,而此一阻值隨著電池內的電量 的下降成指數型升高. 儲放前的容量越高,同樣時間內的自的放電率越高. 電池等效電路 不同啟始電量在儲放30天後 自我放電的電量佔啟始電量百比 01 23 45 67 89 1011 12 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 啟始電量100% 放 電 佔 啟 始 電 量 比 1 0 0 % 鋰離子電池特性與安全 „ 安全項目 : 限制充電電壓上限 限制放電電壓下限 限制使用電流 限制充電電流 限制使用溫度 鋰離子電池特性與安全 „ 安全項目 : 以 6V/900mA 對 043048 電池充電的效果 : 鋰離子電池特性與安全 ƒ 安全管制者 : 使用者:不近水,火,熱,不拆,不短路,不他用,使用特定充電器. 手機:管制最大使用電流,最低使用電壓,及使用溫度. 充電器:管制最大充電電流,最高充電電壓,充電時間,使用溫度. 電池模組:在上三者失效時,提供過高電壓/過低電壓/過大電流 之保護;必要時使用第二保護裝置,提供過電流/過溫保護. 電池芯:所有保護失效時,對安全項目提供安全閥保障. 鋰離子電池特性與安全 電池組的組成 „ 保護模組的組成 : 保護迴路 : 提供過充電,過放電,過大電流之保護. ID : 識別裝置,用以讓手機及充電器知道目前操作中之電池類別. 測溫器 : 一般使用 NTC ,提供手機及充電器目前操作中之溫度. 二重保護裝置 : 在使用者,手機,充電器,保護迴路等保護均失效時提供保護之裝置. 常用的二重保護裝置 : LITTLE FUSE : 電流啟動. THERMAL FUSE : 溫度及電流啟動. PTC / POLY SWITCH : 溫度及電流啟動, 可回復. THERMAL CONTROL :溫度及電流啟動, 可回復. 電池組的組成 „ 保護迴路例/基本型 : R1 100 Q1 NF216/FTD2017 3 2 8 7 6 5 1 4 S/A S/A D/B S/B S/B G/B D/A G/A BT1 053048 R4 NTC10K F1 PloySwitch VLR230 C5 0.01uF C4 0.01uF C3 0.1uF C1 0.1uF C6 0.1uF R2 2.7K U1 M D 1 6 0 B 1 3 32 6 5 1 4 C H G I D T G N D V c c D C H T R3 100K C2 0.1uF BAT-BAT- BAT+ BAT+ P- NTC P + IDR T1 T5 T4 T3 T2 電池組的組成 電池組的組成 „ 保護迴路例/附電壓偵測 : R10 NTC10K R7 10k R8 2.55K0.1% R4 2K R3 270 R6 10K R9 1.07K0.1% C3 0.1uF C2 0.1uF Q2 BC848 R5 18K D1 UDZ20B U2 lmv431bcm5x 3 2 5 1 4 C a t h N C A n o d e N C R e f R1 470 Q1 FTD2017 3 2 8 7 6 5 1 4 S/A S/A D/B S/B S/B G/B D/A G/A BT1 GS LP423048C F1 PloySwitch VTP175U C1 0.1uF R2 1K U1 S8241-AAQ 3 2 5 1 4 V S S V D D C O V M D O Q3 MMBF2202PT1 1 3 2 P + Verror NTC P- BAT+ BAT- BAT+ BAT- „ 常用二重保護裝置 : LITTLE FUSE : 保險絲.使用電流超出規格時斷開,不可回覆. 電池組的組成 „ 常用二重保護裝置 : Thermal Fuse : 溫度保險絲.使用電流超出規格時斷開, 或溫度超出規格時斷開,不可回覆. 電池組的組成 „ 常用二重保護裝置 : Poly switch / PTC : 聚合物保險絲. 使用電流超出規格時斷開, 或溫度超出規格時斷開, 狀況解除後可自動回覆. 電池組的組成 設計導入的考量 „ 設計電池組之前的幾個問題 : 電池種類 : 鋰離子/鋰聚合物/鎳氫/鎳鎘. 充放電條件 : 決定保護點的設定. 二重保護方式 : 決定最終保護方式. 偵溫器種類 : 決定NTC的值或其他方式. 識別裝置 : 決定各種不同電池的識別方式. 特別設計 : 以sysol2為例,須增加電壓偵測. 殼具設計 : 決定尺寸,結合方式. „ 決定電池種類的考量 : 待機時間,通話時間 : 一般黑白GSM系統使用600mAh電池 即足夠.彩色GPRS至少須700mAh的電池. 電壓範圍 : 一般手機操作3.3~4.2V即足夠;但若為smart phone或特殊要求,則電壓範圍可能不同. 操作限制 : 若要求-20度要能開機,則polymer電池較不適用. 外觀尺寸,重量 : 鎳氫/鎳鎘電池較鋰電池為大且重. 安全性 : 手機常用的電池,以鋰離子安全性最差. 價格 : 鎳氫電池較鋰電池便宜. 廠牌,品質 : 鋰電目前仍以sanyo為領導廠商. 共用性 : 公司政策,要使零件數減少.目標是DBTEL手機都可 以共用同一顆電池. 設計導入的考量 „ 決定充電條件的考量 : 充電模式 : 以 CC/CV 為一般常用方式. 充電時間 : 一般以3小時內充電 95% 為標準. 充電電流 : 0.5~0.8C為快充.若考量使用壽命應避免超過1C充電. 充電電壓 : 4.2+/-0.05V,一般充電迴路並不精準,故須稍微降低. 低電壓充電 : 電池電壓低於2.5V時,應先以小於0.2C的電流充電, 並計算時間,若於1小時內無法使電池電壓達3.0V以上,應放棄 充電,以免危險.若可以充電至3.0V,則轉成一般充電模式. 維持充飽的 : 1.循環充電:偵測電壓低於設定值時,重新啟動充電功能. 2.脈波充電:每隔一段時間即對電池做一短時間充電. 3.持續加壓:不關閉充電器,使電池永遠保持在4.2V,這種做法對 電池的傷害較大,不建議使用. 設計導入的考量 ƒ 充電截止的偵測 : 電流方式 : 偵測電流小於某一值即停止充電. 時間方式 : 1.偵測由CC轉CV後某一時間即停止充電. 2.固定時間截止.(對電池較不好) 固定CV時間 小於設定電流 固定時間 設計導入的考量 „ 不同電池的判別方式 : 目的 : 讓手機及充電器決定充電上限電壓及截止方式. 讓手機及充電器決定充電電流. 讓手機及充電器決定充電時間. 讓手機決定顯示電池格數. 讓手機決定限制電池使用. EEPROM : 如MOTOROLA , ERICSSON 使用1 Wire interface EEPROM記錄電池各項記錄及版權宣告. ID RESISTANCE : 以一顆固定電阻做為不同電池的識別. 手機內部一般以分壓方式偵測該電阻值. 座充一般直接用該電阻在電流/電壓設定迴路中. 設計導入的考量 „ 放電問題 : 鎳鎘,鎳氫電池須在每次充電前先將電量放完. 鋰電池不須要先放電再充電. 鋰電池用到完全沒電再充反而對電池不好. 手機的最大瞬間電流/時間 : 用以決定過電流保護的值,且須考慮手機在劣化後的 最大值. 放電終止電壓:軟體在3.3V時會依程序關閉手機.但當電壓於 3.0V時手機硬體會 shut. 所以在低電壓時使用手機,路徑阻抗 就變得重要. 例 : 電池阻抗160m Ω,接點及路徑阻抗40mΩ.發射瞬間須1A電流 (160m+40m)*1=0.2V Æ電池在 3.5V時使用即可能關機. 設計導入的考量 „ 殼具設計的考量: 氣密:鋰電池規定不可完全氣密,但有防水的流行. 結合:膠合,超音波鉚合, 膠帶綑包,螺絲,卡勾, 覆合式… 伸縮:鋰電池在充飽與低電量時的體積略有不同. 彈片:位置,尺寸,鍍金厚度,阻抗等須考慮. 與手機結合:晃動的克服為第一要務. 環測:材料,色料及結合點須能通過各項環測,包括溫 度,溼度,震動,UV,油水侵蝕,磨擦,落下,壓力… 設計導入的考量 設計導入的考量 „ 其他設計上的考量: 接點鍍金:connector 鍍金厚度要求為30uinch. PCB做為接點的鍍金厚度要求為 20uinch. 未要求的PCB鍍金,厚度為5uinch.不適用於電池接觸點. 電池格數顯示考量因素 : 1.使用者心理因素為主要考量. 2.劣化之預估:各家電池劣化曲線不同.但都是放電斜率變大. 這會使得0~1格及滿格的時間隨著電池壽命變短. 3.0格時間長短:較短的0格時間,易在通話時斷電. 較長的0格時間,易讓使用者誤認待機時間短. 較長的0格時間,可以讓使用者提早充電而延長壽命. 4.彈性:通話中電壓會下降,通話結束後電壓會再慢慢回升.所以不適 合以一個電壓點做為格數切換的依據. 5.初期效能的感覺及對長期壽命的感覺在設計理念上是相反的. 使用上的問題 „ 使用習慣 : 1.習慣在1~2格時充電的使用者,較用到0格才充電的使用者,可得 較多的總使用時數. 2.電池怕熱:夏天在車內烤一天,可抵過用一個月. 3.接點怕磨:拆裝電池頻繁會使接點劣化,會在通話中出現雜音, 並使阻抗增加進而降低時用時間. 4.電池怕亂充:鋰電充電條件嚴格,很多爆炸案是在雜牌 充電座上發生的. 5.不用放電:鋰電充電前不用先放完電. 6.不用冰:網路上流傳放冷凍庫可以救電池.但主要是因為休息時 間夠,材料重新均勻擴散.低溫不會使安定的材料重新活化. 7.不用活化:網路上流傳新電池要先充到最飽再全部放完幾次稱 為活化.實際上鋰電池並不用這樣,早期的鎳氫/鎳鎘才須要. 8.膨脹:發現電池有膨脹現象時,應即停用. 使用上的問題 „ 使用習慣 : 9. 千萬不要拆,我們只有在防爆箱內才會做破壞實驗. 10. 保存:長期不用的電池先用到0~1格,包進密封袋內放冷藏. 11.廢棄處理:環保署廢管處業務一組負責乾電池回收,業務三組 負責铅酸電池回收.鋰電池有扣環保稅. 討論事項 請您提供寶貴的意見. 謝謝 ! 謝謝!