剖析锂离子电池的工作原理以及基本特性

2020-11-24      1679 次浏览

锂离子电池的充电方式是限压横流方式。


充电开始时,应先检测待充电电池的电压,假如电压低于3V,要先进行预充电,充电电流为设定电流的1/10,一般选0.05C左右。电压升到3V后,进入标准充电过程。标准充电过程为:以设定电流进行恒流充电,电池电压升到4.20V时,改为恒压充电,保持充电电压为4.20V。此时,充电电流逐渐下降,当电流下降至设定充电电流的1/10时,充电结束。


一般锂离子电池充电电流设定在0.2C至1C之间,电流越大,充电越快,同时电池发热也越大。而且,过大的电流充电,容量不够满,因为电池内部的电化学反应要时间。就跟倒啤酒相同,倒太快的话会出现泡沫,反而不满。


术语解释:充放电电流一般用C作参照,C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、mAh表示,如M8的电池容量1200mAh,对应的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。


锂离子电池的放电


对电池来说,正常使用就是放电啦。


锂离子电池放电只要注意很少的几点:第一,放电电流不能过大,过大的电流导致电池内部发热,有可能会造成永久性的损害。在手机上,这个倒是没有问题的,可以不考虑。第二,绝对不能过放电!锂离子电池最怕过放电,一旦放电电压低于2.7V,将可能导致电池报废。好在手机电池内部都已经装了保护电路,电压还没低到损坏电池的程度,保护电路就会起用途,停止放电。


1放电曲线


放电率愈高,电池容量愈低,温度低时,电池容量也会降低。不同的放电率表现出不同的电池容量,在较高的放电电流下,电池容量达不到额定值,电池电压因为电池的内阻而出现了较大的跌落(C为电池容量,单位Ah)。


2.2充电曲线


锂离子电池进行充电时的三个阶段:预充电、恒流充电和恒压充电。预充电的意义是要对电池的状态进行调整,使之进入可以进行大电流快速充电的状态;恒流充电的用途是将电能快速地储存到电池中,恒压充电阶段则是最后的调整阶段,它使电池的容量最大化。下图显示了充电的三个阶段:


预充电(Precharge)发生在电池电压比较低时,关于大多数锂离子电池来说,这个电压通常含义在3V以下,此阶段的充电电流一般控制在0.1C-0.3C左右。恒流充电(CC)的电流大多设定在0.5C-1C左右,电池电压被充电到设置的电压(一般为4.2V或4.35V,根据电池种类不同而不同)。恒压充电(CV)阶段,电流将逐渐下降,下降到一定程度(通常是0.1C)以后,可以认为电池已经充满了,充电过程将截止。


2.3循环寿命


循环次数是当一个电池所经历完整充放电的次数,是可由实际放电容量与设计容量来估计。每当累积的放电容量等于设计容量时,则循环次数一次。通常在500次充放电循环后,完全充电的电池容量约会下降10%〜20%。


2.4自放电率


所有电池的自放电都会随着温度上升而新增。自放电基本上不是制造上的瑕疵,而是电池本身特性。然而制造过程中不当的处理也会造成自放电的新增。通常电池温度每新增10C,自放电率即倍增。锂离子电池每个月自放电量约为1〜2%。


2.5充电温度控制


锂离子电池的工作温度范围是-20〜60℃,电池所处的温度对其充电会有重大影响。通常情况下,温度过低或过高时,应当禁止对电池进行充电操作。正常锂离子电池充电温度控制在10〜45℃。有的国家和地区还对电池充电制定了不同温度下的不同策略,日本在此方面是一个典型,特别制订的JEITA规范就要求在温度过低和过高时降低恒流充电电流、恒压充电电压,这一规范恰好与电池的容量随着温度的变化而变化的特性紧密对应。


在T2-T3温度范围内,充电电流和充电电压上限都在正常范围。在低温时(T1-T2),锂离子反应缓慢,持续大电流充电时会出现大量热量加快电池老化,规划规定在此范围内充电电流降至0.5C,温度低于T1或高于T5时充电停止。在高温时(T3-T5),假如充电期间电池表面温度升至T3以上,阴极材料开始变得更加活跃,会在电池电压升高时与电解质出现化学反应,温度过高会发生爆炸。因此在高温时要降低截至电压,T3-T4阶段,最大截至电压为4.15V。T4-T5阶段,最大截至电压为4.1V,使用低充电压确保电池安全性。


2.6锂离子电池保护


锂离子电池在使用中最重要的是要确保它不会被过度充电和放电,这两种行为对它的伤害都是不可修复的,甚至可能还是危险的,因为它的内部材料结构被破坏了,什么问题都可能表现出来。因此使用中首先要做的就是要给它加上保护电路,确保过度的行为不会发生。目前市面上锂离子电池保护IC很多,其功能都相同就是实现过流、过压保护和过充、过放保护,下图是截取自RT9545规格书的应用电路图:


在这里插入图片描述


在一般应用中,保护IC这部分电路是和电池一起放在电池包里的,用户能够看到的仅仅是+、-两个电极。使用锂离子电池时要注意是否内置保护芯片,确保锂离子电池在使用时不会被过放。电路中Q1和Q2既是用于实现放电和充电时的保护开关,当IC在开关两端检测到过大的电压压降时,就会强制MOSFET进入截止状态,从而关闭流过电池的电流,达到保护电池的目的。


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