li电池充电

TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 1 1Dec 2004 便携式产品的“心脏”及其护理 --锂离子电池原理及充电管理的设计探讨 Texas Instruments 张洪为 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 2 2Dec 2004 ¾ Speaker : 张洪为 ¾ Title : Senior Marketing Engineer, High Performance Analog Asia Marketing Development Texas Instruments 德州仪器 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 3 3Dec 2004 锂离子电池的“前世今生” ‹ 锂是锂离子电池的核心，它是最轻的金属元素，金属锂的比重只有水 的一半，铝是较轻的金属，锂的比重只有铝的五分之一。 ‹ 锂的电负性是所有金属中最负的，锂离子的还原电位高达-3V。根据计 算，1克锂转化为锂离子时所能得到的电荷数为3860mAh，加之它的大 于3V的工作电压，锂作为电池的负极材料当之无愧轻量级的大力士。 ‹ 锂离子电池的前世 ‹ 早期负极为金属锂的“锂电池”，但金属锂的化学活性太大，充电时产生的枝晶会使 电池短路，目前尚未真正解决其安全问题。经过长期的探索、研究，发现锂可与许 多金属形成合金，其活性要小许多，更奇妙的是锂可以在许多层状结构的物质中可 逆地嵌入和脱出。锂以这些材料为载体就安全多了。嵌锂化合物的发现和应用奠定 了锂离子电池的技术基础。 ‹ 锂离子电池的今生 ‹ 由正极、负极、电解质、隔膜组成。 ‹ 锂离子电池的“来世” ‹ 发展新的正负极材料， 如部分动力电池：负极LiC+正极LiMn2O4 ‹ 锂聚合物电池。在正、负电极粘结剂、电解质三者中任何一种使用高分子高分子聚 合物的锂离子电池就可以成为锂聚合物电池。现在常见的是使用高分子胶体取代常 规液体电解质的锂聚合物电池。 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 4 4Dec 2004 锂离子电池的电化学原理 ‹ 正极反应：LiCoO2 xLi++xe-+Li(1-x)CoO2 ‹ 负极反应：6C+xe+xLi+ LixC6 ‹ 电解液：LiPF6(氟磷酸锂）+EC(碳酸乙烯酯） +DMC( 碳酸二甲酯) ‹ 充电时锂离子从正极层状物的晶格间脱出，通过电解液迁移 到层状负极表面后嵌入到石墨材料晶格中，同时剩余电子从 外电路到达负极。放电则相反，锂离子从石墨晶格中脱出回 到正极氧化物晶格中。 ‹ 在充放电时锂离子在电池正负极中往返的嵌入—— 脱出，正像摇 椅子一样在正负极中摇来摇去，故有人将锂离子电池形象的称为“ 摇椅电池” ‹ 由于LixC非常活泼，可以和水发生反应。故电解质选用可溶于有 机溶剂的锂盐，但这也留下一个缺点：内阻相对于镍镉、镍氢电 池要大的多 充电 放电 放电 充电 锂离子电池原理示意图 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 5 5Dec 2004 负极枝晶效应(Lithium Dendrides) ‹ 在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外 电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在那儿形成LiC化 合物。如果充电速度过快，会使得Li+来不及进入负极栅格，在负极附近的电 解液中就会聚集Li+，这些靠近碳C负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为 金属Li。持续的金属锂生成会在负极附近堆积、长大成树枝状的晶体，俗称枝 晶 ‹ 另一种情形，随着负极的充满程度越高，LiC晶格留下的空格越少，从正极移 动过来的Li+找到空格的机会就困难，时间就越长。如果充电速度不变的话， 一样可能在负极表面形成局部的Li+堆积。因此，在充电的后半段必须逐步缩 小充电电流 ‹ 枝晶的长大会刺破正负级之间的隔膜，形成短路。可以想象，充电的速度越快 越危险，充电终止的电压越高也就越危险，充电的时间越长也越危险。 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 6 6Dec 2004 锂电池的使用和保护 • 由前所述，锂离子电池的电压过高或者过低都会造成严重问题 • 根据实际使用情况，划分了锂离子电池电压的几个区域. 不同的电芯制造商虽有区别但区别不大。 ===================== 高压危险区 ---------------保护线路过充保护电压(4.275~4.35V) 高压警戒区 ---------------锂离子电池充电限制电压4.20V 正常使用区 ---------------锂离子电池放电终止电压(2.75~3.00V) 低压警戒区 ---------------保护线路过放保护电压(2.3~2.5V) 低压危险区 ===================== TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 7 7Dec 2004 锂电池的保护电路（待续） • 如图可见典型的锂离子电池的保护电路 – 一次保护：提供过压、欠压、过流等可恢复通断管理 – 由于外部MOSFET的温度不能提供给保护IC，而且导通电阻的大 小有很大的离散性，使得过流和短路检测的精度受到限制 – 二次保护：提供不可恢复的过压或过温度关断 • 一次保护IC+MOSFET可以实现功能: – 1.过充保护。当电芯的电压超过设定值时,保护IC切断右边的 MOSFET，电芯电压回归到允许的电压，MOSFET恢复导通 • 典型过充检测电压:4.275V+/-0.025V,电芯电压一超过这个值,就触发 过充保护 • 典型过充释放电压:4.175V+/-0.030V,处于过充保护的电芯电压只有 降到这个值时才会停止保护 – 2.过放保护。当电芯的电压低于设定值时,由保护IC切断左边的 MOSFET，等电芯电压回归到允许的电压时，恢复MOSFET的导通 • 典型过放检测电压:2.3V+/-0.08V • 典型过放释放电压:2.4V – 3.过流保护。当工作电流超出设定值时，保护IC切断MOSFET管 。等工作电流回归到允许的电压，MOSFET恢复导通。保护IC判 断电流流过MOSFET而产生的压降,用这个电压除于MOSFET的导通 阻抗就可以近似得到过流保护的电流，一般在3~10A左右 – 4.短路。这个功能是过流保护的扩展,当保护IC检测出电流大于 设定阈值之，立即切断回路，瞬态短路后电池的输出正负极的 电压为零，而实际电芯的电压还是正常的，对电池进行充电就 可以解除此保护 • 二次保护IC – 在一些安全要求严格的场合，为确保安全，在一次保护的基础 上加装二次保护，在电池异常出现的时候可以烧毁保险丝，永 久性阻止异常电池继续使用，防止问题进一步扩大 – 代表产品有bq29400 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 8 8Dec 2004 锂电池的储藏和运输 ‹ 锂离子电池的储藏会导致容量下降 ‹ 高电压会加速正负极集流金属板的被侵蚀和电解质的分解 ‹ 长时间处于放电状态导致电极保护层分解，导致容量下降 ‹ 容量下降和储藏温度、荷电状况的关系 ‹ 推荐的储藏温度 ‹ 荷电水平是40%,温度低于15度或更低 60%75%60ºC 65%85%40ºC 80%96%25ºC 94%98%0ºC 100%荷电状态（State of Charge） 40%荷电状态（State of Charge 存储12个月 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 9 9Dec 2004 锂离子电池的激活 ‹ 激活就是让尽可能多的电极材料参加反应。对用户来讲，锂离子电池 不需要激活 ‹ 正常锂离子电池的生产工序： ‹锂离子电池壳灌输电解液 ‹封口 ‹化成 ‹恒压充电,然后放电，进行几个循环，使电极充分浸润电解液，充分活化 ，以容量达到要求为止，这就是激活。 ‹分容，就是测试电池的容量选取不同性能(容量)的电池进行归类,划分电 池的等级,进行容量匹配等。 ‹ 出厂的锂离子电池到用户手上已经是激活过的了 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 10 10Dec 2004 锂离子电池充电的几个基本原则 ‹ 电流必须 ‹ 瞬时值<5C ‹ 平均值<1.2C ‹ 以上值和电极表面积、电解质、温度有关，不同制造商略有不同 ‹ 充电电压都不能超过4.275，考虑到制造误差和温度漂移，一般充电电压设定不超 过4.2V ‹ 充电终止后不能接受涓流充电 ‹ 电压到达4.2V后充电必须在几个小时内完成，不能任意延长。这也是为什么TI, Intersil 等充电芯片制造商要在芯片内内置安全定时器，确保在一定时间后切断充电 ‹ 违背上述原则都将产生“枝晶效应”，长期反复地违背这些规则，将会对电池的寿命 产生极大的影响，甚至有安全问题 ‹ 据不完全统计，美国每年有70起手机锂离子电池的爆炸事故 左图就是一个典型的充电示意图， 实线代表电流变化，虚线代表电压 变化 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 11 11Dec 2004 ‹ 设计考量 ‹ 简单，很少的元件数 ‹ 小功率时的成本很低 ‹ 低噪声 ‹ 充电的效率通常较低，多电芯、高Adapter电压时的散热存在问题 ‹ 如果待充电的电池电压在3.0~4.1V之间， Adapter的输出电压为5V，那么线性充电的效率就在60%~82%之间 ‹ 如果充电电流1A为例，充电器上的热耗散在2W~0.8W之间。而对于便携设备来讲，2W是一个非常可观的数字，结 构设计师往往无法处理 线性控制器 等效直流线路图 常见充电方法--线性恒流恒压法 3-11 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 12 12Dec 2004 ‹ 设计考量 ‹ 比线性方式更复杂 ‹ 多了2个器件L, D4 ‹ 效率更高，在大功率的时候成本反而有吸引力—-不需要特别的考虑散热措施 ‹ 通常，一个设计良好的PWM充电电路在快速充电的效率在80%~95%之间，热量耗散只有线性充电的 30%~60% ‹ 在下图中D4起续流作用，把它改成MOSFET就变成了同步整流的PWM变换，单节电芯效率可以提高大约 4~8%，双节电芯2~4%，但对3~4节的锂电池来讲变化不大。典型芯片有TI的bq24103，内置了高端的 整流MOSFET和低端的续流MOSFET，极大的简化了电路，最高效率可达95% ‹ 典型芯片：bq2000,bq24103,bq24703 Buck 变换模式 3-12 常见充电方法-- PWM恒流恒压法 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 13 13Dec 2004 常见充电方法--限流恒压法 ‹设计考量： „和线性一样简单、安全、低成本 „具有和PWM一样的低发热优点 ‹缺点： ‹需要一个输出电压随输出电流增大 而下降的Adapter ‹典型芯片：bq24202 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 14 14Dec 2004 充电方法的选择 ‹ 在小电流或低压差时首选线性恒流恒压法 ‹简单 ‹低成本 ‹如手机、MP3 ‹ 在大电流或高压差时首选PWM恒流恒压法 ‹高效率 ‹快速充电 ‹如笔记本电脑、便携式DVD等 ‹ 在电流较大，受到成本、空间或发热的限制，可以考虑选用限流恒压 法 ‹兼有线性法和PWM法的优点：简单、低成本、低散热 ‹要求Adapter输出电压随电流的增加而下降，实质上是电源内阻效应的正 面应用，很容易实现 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 15 15Dec 2004 充电终止电压对电芯寿命的影响 ‹充电终止电压越高，电池的寿命越短 ‹4.2V是这种函数关系的拐点 ‹在4.2V附近，1%的电压误差将会导致寿命变化1/3，因此常规1%的终止电压精度其实 是不够的。TI的绝大部分充电产品承诺0.5%的精度 ‹企图依靠锂电保护电路而不使用专用充电芯片的做法是不能成立的。在图中可以看 出，如果终止电压设在4.3V，寿命将只有150次左右，只有正常寿命的1/3不到 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 16 16Dec 2004 充电终止电压对容量的影响 ‹1%的终止电压变化，将使容量改变8% ‹过充电会使得容量看起来更大，欠充电会使容量得不到充分的利用 ‹由此可见，终止电压精度对于充电器是至关重要的参数。TI的绝大多数充电 器电压精度均保证为0.5%，从而可以使电池的容量得到大约4%的改善 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 17 17Dec 2004 充电终止算法及检测 ‹ 基于锂离子电池的结构特性，绝对的100%充电完成将耗费很长的时间，实际上是 “不可能完成的任务”。 ‹ 在前面的终止充电电压和容量的关系图上可以看出，“没有最满，只有更满” ‹ 所有充电终止判断都是基于容量利用程度、充电时间、使用寿命以及安全程度之 间的权衡 ‹ 因此,在工业界现在普遍使用“同时”满足下面的条件来判断充电饱和终止： – 电压到达4.2V/cell—便携设备； • 电压到达4.1V/cell—大功率储备电池 – 电流小于1/20 容量 • 在要求快速场合可以设定为电流〈1/10 容量 ‹ TI使用一种叫“渐停计时器”（Taper Timer）的技术来实现最大化充电和最快化充 电的平衡，可以比一般充电终止要多充3~5%的电能，充电时间延长不超过30分钟 黄色区域即为多充的部分 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 18 18Dec 2004 充电器的热管理 ‹ 充电器本身是一个能量输出装置，发热是不可避免的 ‹ 对于线性恒流恒压法来讲，电池在3V附近的时候，整个充电器的效率 极低，很可能低于50%，必须通盘考虑在各种情况下的散热情况 ‹最大输入电压和最小电池电压同时发生时的热耗散在额定范围内 ‹根据最大热耗散以及充电芯片给出的热阻系数计算最大温升，再根据工作 环境温度，计算最大可能结温，确保符合芯片限制。 ‹选择在电压低于某一值如2.9V时首先进入小电流预充电模式，既可以延长 电池寿命，也可以减少热耗散 ‹ 对于PWM恒流恒压法，在电池电压3~4.2V的范围内均可以保持相当高的 效率，而且输入电压在一定范围内变化对效率也影响不大 ‹ MOSFET外置电路必须计算电路的转换效率，估计最大热耗散，确保所选 MOSFET的封装、性能符合要求 ‹ MOSFET内置的电路，要像线性电路那样计算各种情况下的最大温升 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 19 19Dec 2004 充电器的硬件考虑以及布线原则 ‹ 输入电容 ‹ 充电芯片内置的电压基准需要工作在稳定状态下，输入电容可以显著降低噪声幅度 ‹ 充电器接口通常暴露在设备外，容易遭到静电的攻击，电容可以大幅降低、缓解这种攻击 ‹ 充电芯片本身是Analog芯片，但内部仍有定时器等。负脉冲的EMI可能使芯片复位，输入电容可 以抵抗EMI ‹ 输入电容还可以使PWM电路产生的噪声不传递到外电网 ‹ 足够大的输入电容可以消除上电时的冲击电压（见后文的AC Adapter插入时的瞬态响应） ‹ 太大的输入电容可能产生无法承受的上电冲击电流 ‹ 输出电容 ‹ 输出电容可以降低电池上纹波对各种充电判断的影响 ‹ 输出电容是充电芯片内部误差放大器环路稳定的要求 ‹ 布线原则 ‹ 除了一般布线规则外，在电路的“接地”中区分大电流回路和小电流回路是一个简单、易行、有 效的方法 ‹ 开尔文连接 ‹ 在充电控制中，电池电压是一个重要参数，要求直接从电芯上引线，即开尔文连接 ‹ 如果不这样做的话，充电电流在引线上的压降将干扰判断 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 20 20Dec 2004 各类电池管理器件的关系 电量计量 充电管理 电池保护 DC输入 B a t t e r y 电池 保护IC和电量计 量芯片通常集成 在电池内部 电量计量 测量流出和流进电池的电流，并 计算电池的剩余能量 充电管理 把输入直流电能转换成需要的电压 和电流，快速、安全地充入电池 保护 IC 确保锂离子电池电压和电流在安 全范围内 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 21 21Dec 2004 充电器、电池、负载、Adapter之间的拓扑关系（待续） ‹ 直接连接法 ‹ 最简单、常见的连接方式 ‹ 系统消耗电流影响充电终止判断 ‹ 双MOSFET切换法 ‹ 最可靠切换方法 ‹ 成本最高，导通功耗小 ‹ 系统状况不影响充电 ‹ 单MOSFET，单肖特基二极管 ‹ 成本适中，功耗略大 ‹ 系统状况不影响充电 ‹ 外接电容可能影响内外切换 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 22 22Dec 2004 充电器、电池、负载、Adapter之间的拓扑关系 ‹‹ 现行连接方法的缺点现行连接方法的缺点 ‹ 直接连接法会影响充电终止判断 ‹ 双MOSFET切换法在系统电流超出Adapter的供应能力时难以用电池接续 ‹ 单MOSFET，单肖特基二极管又在外接大电容时切换有瞬间掉电的担心 ‹ 全部3种中，adapter的噪声都会引入系统，造成RF灵敏度下降或AV信号等劣化 ‹ TI的解决方案：bq24032系列 ‹ 充电时电池和负载完全隔离 ‹ AC adapter和USB口的充电可以设定优先权 ‹ 任一输入电压低于某一设定值时，可以自动减小充电电流，如果电压进一步降 低，可以自动打开Q2救续，适应动态范围较大的系统供电需求 ‹ Q1,Q3均有稳压功能，从而隔绝外部噪声进入系统 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 23 23Dec 2004 AC Adapter插入时的瞬态响应（待续） 如图，这是一个AC Adapter以及充电电路输入部分的等效示意图 。Lline，Cin, Resr, Rline构成串联谐振系统。下一页展示了Pspice 模拟的结果 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 24 24Dec 2004 AC Adapter插入时的瞬态响应 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 25 25Dec 2004 电池充不进电 ‹ 问：有的手机的电池用到自动关机,没有及时充电,电池仍然放置在手机上.等过了一段时间，比如10 天半个月，想起来充电的时候, 怎么也充不进去，这是什么原因？ 答：造成这个现象的原因是电池电压过低。电池的电压随电量的流失,在低压警戒区会迅速的降低。 即使从手机中取下，电池每天0.2%/天@25Cº的自放电依旧，电池内的锂电保护电路也会消耗6uA左右 。电池放在手机上,手机内漏电流更是加速了这个过程，许多手机的漏电流高达100uA）。一旦电池电 压低于锂电保护IC设定的一个阈值，常常在2.3~2.7V之间，锂电保护芯片会关闭放电MOS管。而许多 手机的充电控制往往有所谓“短路检测”，如果电压太低，如低于2V，则拒绝充电。在右下图中，一旦 FET1关闭，B+、B-之间的电压就接近0，这就形成了即使电芯的电压超过2V也不能充电的窘境 ‹ 从消费者的眼光来看，这是产品的品质问题； ‹ 从制造商的眼光来看，多一事不如少一事，所以大部分充电芯片制造商现在取消了输出短路检测； ‹ 从工程师的眼光来看，短路检测是必需的，简单的取消检测未免有鸵鸟之嫌，但直接检测端电压就太愚蠢。在TI 的bq24012产品中就采用了2个电流源，一个是充电源，一个是放电源。如果电压检测端检测到了一个低于1.4V的 电池电压值，它会用900uA的充电电流源充875ms，然后再用4mA的放电电流源放电125ms，这样绝大多数的“沉睡 电池“就会被唤醒 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 26 26Dec 2004 动态电流分配 ‹ 什么叫动态电流分配？ ‹ I charge=I adapter-Isystem ‹ 最大化利用AC adapter的功率，降低Adapter的成本 ‹ 减少充电时间，防止Adapter的过热 ‹ 典型芯片：bq24703 TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 27 27Dec 2004 充电一直不停 ‹ 为什么充电一直不停？ ‹如果把系统负载和电池一起接在充电芯片的输出端，就可能出现这种情况 ‹即使一次充电完成后，充电芯片停止工作，系统直接从电池获得能源继续 工作，几十分钟后重新充电开始 ‹有时候一夜可能重复这种过程几十次，发生充电了一夜之后，早上起来还 在充电的现象 ‹更糟糕的是，一些充电管理芯片的自动重充电阈值设定在4.05V左右，这 样一夜充电后可能只能充到85%！ TI Proprietary - PAFStrictly Confidential 28 28Dec 2004 高端保护 ‹ 什么叫高端保护？ ‹ 在某些输入电压超过或接近20V的时候，在U2,U3上的GS或GD间可能出现20V的电 压，这已经接近大部分低RdsMOSFET的耐压上限，因此必须采取措施使得驱动电 压不超过10V ‹ 在下图中，bq24703有一个专门的管脚VHSP提供高端MOSFET的驱动电压