鋰離子 電池 充電器 的原理和制作
鋰離子 電池 充電器 的原理和制作鋰電池的守護神---鋰電池保護IC的重要性
近年來,PDA、DSC、Cellular Phone、Camcorder、Portable Audio、Advanced Game、Assist Bicycle、Electric Scooter、Bluetooth Device…越來越多的產品急速的採用鋰電池來當做它的主要電源,不外乎其:體積小、能量密度高、無記憶效應、迴圈壽命高、高電壓電池、自放電率低…等優點,也因為與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,所以必須考慮充電、放電時之安全,確保特性劣化的防止,但也因為如此,針對鋰電池的過充,過放,過電流及短路電流的保護更顯得重要,所以通常都會在電池包內設計保護線路用以保護鋰電池,由此可見鋰電池保護IC的重要性。
鋰離子電池因能量密度高，使得難以確保電池的安全性。具體而言，在過度充電狀態下，電池溫度上升後能量將過剩，於是電解液分解而產生氣體，因內壓上升而導致有發火或破裂的危機。反之，在過度放電狀態下，電解液因分解導致電池特性劣化及耐久性劣化(即充電次數降低)。
鋰離子電池的保護電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態時的安全性，並防止特性的劣化。鋰離子電池的保護電路是由保護IC、及兩顆Power-MOSFET所構成。其中保護IC為監視電池電壓；當有過度充電及放電狀態時，則切換以外掛的Power-MOSFET來保護電池，保護IC的功能為: (1)過度充電保護、(2)過度放電保護、(3)過電流/短路保護。以下就這三項功能的保護動作加以說明
(1) 過度充電:
當鋰電池發生過度充電時,電池內電解質會被分解,使得溫度上升並產生氣體,使得壓力上升而可能引起自燃或爆裂的危機,鋰電池保護IC用意就是要防止過充電的情形發生。
過度充電保護IC原理:
當外部充電器對鋰電池充電時,為防止因溫度上升所導致的內壓上升,需終止充電狀況,此時保護IC需檢測電池電壓,當到達4.25V時(假設電池過充點為4.25V)及啟動過充電保護,將Power MOS由ON'OFF,進而截止充電.
另外,過充電檢出,因雜訊所產生的誤動作也是必須要注意的,以免判定為過充保護,因此需要延遲時間的設定,而delay time也不能短於雜訊的時間。
(2) 過度放電:
在過度放電的情形下,電解液因分解而導致電池特性劣化,並造成充電次數的降低,鋰電池保護IC用以保護其過放電的狀況發生, 達成保護動作。
過度放電保護IC原理:
為了防止鋰電池過度放電之狀態,假設鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低於其過放電電壓檢測點(假設設定為2.3V),將啟動過放電保護,將Power MOS由ON'OFF,進而截止放電,達成保護以避免電池過放電現象發生, 並將電池保持在低靜態電流的狀態(standby mode),此時耗電為0.1uA
當鋰電池接上充電器,且此時鋰電池電壓高於過放電電壓時,過放電保護功能方可解除。
另外,為了對於脈衝放電之情形,過放偵測設有延遲時間用以預防此種誤動作的發生。
(3) 過電流及短路電流:
因為不明原因(放電時或正負極遭金屬物誤觸)造成過電流或短路電流發生,為確保安全,使其停止放電。
電流保護IC原理:
當放電電流過大或短路情況發生時,保護IC將啟動過(短路)電流保護,此時過電流的檢測是將Power MOS的Rds(on)當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形,若比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電,
公式為:
V-(過電流檢測電壓)=I(放電電流)*Rds(on)*2
假設V-=0.2V, Rds(on)=25mΩ,則保護電流的大小為I=4A
同樣的,過電流檢出也必須要設有延遲時間以防有突然的電流流入時,會發生誤動作,使其發生保護的誤動作。
通常在過電流發生後,若能移除過電流之因素(例如:馬上與負載脫離..),就會回復其正常狀態,可以再實行正常的充放電動作
鋰電池保護IC的新功能:
除了上述的鋰電池保護IC功能之外,現在還有一些新的功能值得我們注意,以東瑞電子所獨家代理的"Ricoh"鋰電池保護IC為例---R5426
(1) 充電時,過電流之保護:
當連接充電器在充電時突然有過電流發生(充電器損壞),即發生充電時過電流檢測,此時將Cout將由High'Low,Power MOS由ON'OFF,達成保護之動作.
V-(Vdet4過電流檢測電壓)=I(充電電流)*Rds(on)*2
注:Vdet4為-0.1V
(2) 縮短測試時間:
假設測完一片PCB所需要花的時間為1秒,那100萬片則需要100萬秒,非常的耗時,同樣的也很沒有效率,故我們可以利用以下之功能來縮短測試時間.
(A)當我們將R5426之DS pin open時,此時delay time為規格書上所示
(B)當我們將R5426之DS pin接VDD時,此時delay time將只有1/90.
(C)當我們將R5426之DS pin接Vim(min=1.2V,max=VDD-1.1V),此時將可忽略delay time
(3) 過充時鎖住模式(Latch):
通常保護IC在過充電保護時經過一段延遲時間之後就會將Power MOS關掉(Cout),用以達到保護的目的,當鋰電池電壓一直下降到解除點(Overcharge Hysteresis Voltage)時就會回復,此時又會繼續的充電,又保護,又放電充電放電,這種情形並不是一種很好的狀況且安全性的問題將無法有效的獲得解決.
鋰電池一直重複著做著充電放電充電放電的動作, Power MOS的Gate將反復的High/Low,這樣可能會使MOSFET變熱.,也同時對於電池的壽命造成引想,由此可知Latch Mode的重要性。
假如鋰電時保護電路在偵測到過充電保護時有Latch Mode,MOSFET將不會變熱,且安全性相對的提高許多.
在偵測到過充電保護之後,只要有連接充電器在電池包上,此時之狀態及到達過充時鎖住模式,因此,雖然鋰電池的電壓一值下降,但不會發生再充電的情形.要解除這個狀況,只要將充電器移除並連接負載即可回復充放電的狀態。
(4) 縮小保護電路元件:
將過充電和短路保護用的延遲電容給內包到保護IC裏面
保護IC的要求:
(A) 過度充電保護的高精化:
當鋰離子電池有過度充電狀態時，為防止因溫度上升所導致的內壓上升，須截止充電狀態。此保護IC即檢視電池電壓，當偵測到過度充電時，則過度充電偵測的Power-MOSFET使之OFF而截止充電。此時所應注意者，就是過度充電的檢測電壓的高精度化，在電池充電時，使電池充電到飽滿的狀態是使用者很在意的問題，同時，兼顧到安全性的問題，就得在達到容許電壓時截止充電狀態。要同時符合這兩個條件，就要有非常高精度的偵測器，目前精度為25mV，但將來勢需有更精度的要求。
(B) 減低保護IC的耗電流達到過度放電保護目的:
已充過電的鋰離子電池電隨著使用時間，電池電壓會漸減，最後低到規格標準值以下。此時就需要再度充電。若未充電而繼續使用的話，恐就無法再充電了(過放電狀態)。而為防止過放電狀態，保護IC即要偵測電池電壓的狀態，一旦到達過放電偵測電壓以下，就得使放電一方的Power-MOSFET OFF而截止放電。但此時電池本身仍有自然放電及保護IC的消費電流存在，因此需要使保護IC的耗電流降到最低的程度。
(C) 過電流/短路保護需有低偵測電壓及高精度的要求:
因不明原因導致短路而有大電流耗損時，為確保安全而使之停止放電。在過電流的偵測是以Power MOS的Rds(on)為感應阻抗，以監視其電壓的下降，此時的電壓若比過電流偵測電壓還高時即停止放電。為了使Power MOS的Rds(on)在充電電流與放電電流時有效的應用，需使該阻抗值儘量低，(目前約20mΩ ~30mΩ )。如此，過電流偵測電壓就可較低。
(D) 實現耐壓值:
電池包與充電器連接時瞬間會有高壓產生,因此保護IC因具備有"耐高壓的要求(Ricoh的保護IC即可承受到28V)
(E) 低耗電:
當到達保護時,其靜態耗電流必須要小(0.1uA)
(F) 零伏可充電:
有些電池在存放的過程中可能因為放太久或不正常的原因導致電壓低到0V,故保護IC需要在0V也可以充電的動作
保護IC功能未來發展
未來的發展將如前述，提高偵測電壓的精度、降低保護IC的耗電流及包裝、整合MOS 、提高誤動作防止功能等，同時充電器連接端子的高耐壓化也是開發的重點。
包裝方面,目前已由SOT23-6漸漸的朝向SON6,將來還有CSP的Package,甚至COB產品的出現,用以滿足現在所強調的輕薄短小.
而保護IC也不是所有的功能都一定必須要用的,可根據不同的鋰電池材料開發出單一保護(如:只有過充保護或過放保護功能),可大大的減少成本及空間,這對我們來說可未嘗不是一件好事.
當然，功能元件單晶化是一致的目標，如目前行動電話製造商都朝向將保護IC、充電電路、電源管理IC等週邊電路集成單晶片，與邏輯IC構成雙晶片的晶片組，但目前要使Power MOS的開路阻抗降低，難以與其他IC合組，即使以特殊技術製成單晶片，恐怕成本將會過高，因此，保護IC的單晶化將需一段時間來解決。
單節鋰離子電池充電器設計
單節鋰離子電池充電器設計本文介紹了一個單節鋰離子(Li+)電池的充電方案，該方案基於MAX5022晶片，適用於全球的交流電源，而且無需軟體控制或微處理器干預就能實現所有的充電功能。
一次性電池不能夠充電，完全放電後的電池即為報廢電池。二次電池可以多次充電，但不同的化學特性對充電的要求也不同，特別是“快充”控制。目前，最常用的可充電電池是Li+、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(Nicd)和鉛酸電池，其他類型的電池還很多，但沒有大規模投入使用。因為本文僅討論利用交流適配器供電的充電器設計，沒有考慮汽車電源供電的SLI鉛酸電池或更大容量電池的充電器。
不同化學類型的電池對充電器的要求
通常快速充電比涓流充電更受歡迎，但快速充電對電路的要求也複雜，鎳氫或鎳鎘電池的快速充電技術與其他電池也是不同的。鎳鎘和鎳氫電池通常在恒流狀態下快充，而不是恒壓狀態下。快充終止檢測基於電壓和溫度的變化率，充電器還應具備過壓保護和過熱保護功能。Li+和鉛酸電池充電器必須保證作用到電池上的電壓和電流最大值在規定的範圍內，當電池電壓維持在最大單節電池電壓，充電電流下降到一個較低值時，充電器終止充電。Li+和鉛酸電池充電器的區別在於所允許的充電電流、最大電池電壓，另外鉛酸電池充電器一般具有浮充能力(浮充是為了補充鉛酸電池的自放電，而對一個已經完全充滿的電池繼續輸入
充電電流的技術)，Li+電池的自放電非常低，所以不需要浮充。
Li+電池
為可擕式產品選擇電池時，最重要的是高能量密度、尺寸、重量和價格。迄今為止， Li+電池在最為流行的電池中能夠提供最高的體積和能量密度，但其每瓦時的成本也較高。鉛酸電池的每瓦時成本最低，但比較笨重。本文以Li+電池為例討論充電器的設計，它在可擕式產品中已經被普遍使用。我們選擇780mA的充電電流和4.2V的終止電壓。
圖1所示充電器無需微處理器干預，輸入電源可以採用全球範圍的任何交流電源，省去了大體積60Hz變壓器，而且可提供單節Li+電池所要求的精確的充電電壓和電流。充電器IC(U4)集成了全面的保護功能(電壓、電流和自保護)，確保Li+電池的安全充電。
假設Li+電池帶有過流、過壓和過熱保護，這些保護特性在電池包裏是必需的，因為充電期間一旦電路出現故障，Li+電池將存在很大的危險性，過流、過壓或溫度過高都有可能造成Li+電池爆炸。
電路描述
圖1包括兩顆主器件(U1和U4)、精密基準(U3)和光耦(U2)。U1是離線式開關控制器，配合隔離變壓器、光耦和基準產生隔離的穩壓直流輸出。直流電壓供給電池充電器(U4)，U4提供電流限制、電壓調節、電池充電和充電指示等功能。本方案中，U4是一款簡單的線性充電器，內置調整管，結合其熱控制環路提供快速充電。
MAX5022的特性
U1(MAX5022)在寬輸入範圍的應用中很容易設計，本文所提供的方案要求能夠滿足全球各地的交流電源規格，這裏假設通用的輸入電源電壓範圍為85V AC至265V AC。MAX5022的輸入範圍指標以及評估板電路的輸入範圍恰好滿足這一需求。對於圖1所示充電器的電源端MAX5022評估板不需要作任何修改，隔離端只需對評估板的電阻值稍作修改。
對於更大功率的應用，只需選取功率較大的開關管和能夠處理更大功率的變壓器即可。圖1所示電路要求充電電流為780mA，最大電池電壓為4.2V。對充電電源的要求與MAX5022評估板所提供的輸出相吻合：5V@1A，因此，不需要更換評估板的電晶體和變壓器。U4採用SOT23封裝，所以，充電器的尺寸在很大程度上取決於應用對充電電源的需求。變壓器是電路中尺寸最大的元件，由於開關控制器的工作頻率大於250kHz，允許系統選用小尺寸的變壓器。
上電時，在開關控制器工作之前，U1調節器直接通過洩漏電阻R1、R2從整流通路吸取少量的電流，兩個電阻阻值保證每個電阻上的壓降不會超出每個電阻的容限，Vin引腳電壓不會超出其28V額定值(30V為絕對最大值)，U1在輸入電壓達到24V時開始開關操作，並吸取更大的電流(高於R1、R2所能提供的電流)，在變壓器副邊線圈能夠提供足夠的能量之前，額外的電流由Vin引腳的旁路電容供給。這種處理方式能夠適合較寬的輸入電壓範圍，對效率的影響也很小，這是因為在啟動過程中只需極小的供電電流(典型值為50uA)。
為了防止U1的Vin引腳出現過壓，可以在Vin與地之間接一個26V至30V的齊納管，電壓值需要高於欠壓鎖存電壓的最大值，低於該引腳所允許的最大絕對電壓。如果器件沒有啟動正常的開關操作，則可認為電路發生了某些問題，所以，這一保護措施對於U1來說並不是必需的。
U1是一款電流模式PWM控制器，具有逐周期限流電路，必要時其占空比可以提高到75%，非常適合圖1所示的反激拓撲。原邊開關電流檢測採用尺寸為1206的1.78Ω電阻(R7)，該電阻限制了變壓器原邊的最大電流。固定開關頻率和最大占空比限制使得最大限流具有輸出短路保護功能。
一旦短路輸出造成電路達到了上述限制條件，第三組線圈將無法提供10V以上的電壓(UVLO的低電壓門限)，U1將再次進入啟動狀態，停止開關操作。短路故障解除後系統會自動恢復正常的工作狀態。
電壓調節
變壓器副邊的電壓經過整流、濾波，然後由R4、R5分壓在並聯型穩壓器U3的調節點產生1.24V(對應於4.5V輸出)的回饋電壓。為保證電池充電器正常工作，4.5V是最低電壓(包括容差)。因為充電器採用的是線性結構，充電效率與輸入、輸出電壓的差值成反比，用最低電壓為充電器供電有助於降低功率損耗。
當調節點電壓高於1.24V時，並聯型穩壓器將吸入電流，導通光耦LED，原邊的光電晶體將處於發光狀態。U1的OPTO輸入引腳用於直接連接光電晶體，以極其簡單的方式構成閉合環路。光電晶體導通時，OPTO引腳被拉低，內部比較器在它的一個輸入端檢測到較低的電壓，比較器的另一輸入電流檢測引腳(CS)的峰值電壓，OPTO引腳的低電壓將在每個週期直接限制功率MOSFET N1的峰值電流。由於U1是一個PWM控制器，電流限制使得電壓調節受作用在N1上的占空比(導通時間與斷開時間的比值)的影響，環路穩定性通過調節R11和C12來保證。R10和C5(連接在U3的第3和第4引腳)可消除穩定工作情況下的雜訊干擾。
U4的工作特點
U4是一款用於單節Li+電池充電、功能完備的充電器，採用線性充電模式，內置調整管和電流檢測電路。另外，它還集成了一個反向抑制二極體，在去掉輸入電源時可防止電池方向放電。接入一個深度放電的電池時，U4能夠檢測到低電池電壓(低於2.5V)，這樣，U4將首先啟動涓流充電過程，在快充週期的1/10時間段對電池進行涓流充電，直到電池電壓上升到2.5V以上。在涓流充電到快速充電轉換時，軟啟動電路迫使充電電流在3ms時間內緩慢上升，避免較大的浪湧電流拉低輸入電源。
上述功能的實施不需要微控制器的監管，而且，U4還具有可編程的溫度限制功能，我們會在下面就這一點進行詳細討論。用一個電阻設置最大充電電流，電阻兩端的電壓與充電電流成正比，通過監視該電壓即可連續跟蹤充電電流，更為複雜的系統也可以採用ADC跟蹤監視充電電流。
Maxim還提供有另一款與MAX1507非常相似的充電器—MAX1555，這款IC能夠在沒有交流電源的情況下從USB主機獲得充電電源。
電流調節
如果把Li+電池直接與一個低阻電壓源連接，充電電流將不受任何限制，這種狀況會對電池及其周圍環境造成災難性的損害，從Li+電池的安全性考慮，必須將其充電電流限制在額定範圍以內。U4根據連接在ISET(第5引腳)的電阻限制充電電流，圖1電路中選用了一個1.87kΩ的電阻，將最大電流設置在780mA:
Ifast=1461V/Rset=1461/1870≈780mA
電池電壓最小時，由於輸入穩定在4.5V，U4輸入與輸出的壓差最大，如果此時電池是以最大電流充電，U4功耗將達到最大值。例如，假設電池電壓為2.5V，則對應的功耗為：
P=IV=(0.78A)×(4.5V-2.5V)=1.56W
U4封裝(8引腳薄型DFN-EP，EP表示裸露焊盤)在溫度高達70℃時可以耗散的最大功率是1.951W，這樣，在整個電池電壓範圍內以780mA的電流充電應該沒有任何問題。但是，如果IC管芯由於較高的環境溫度或不良的散熱條件達到了70℃，U4內部的熱調節環路將自動降低充電電流，這一過程有別於其他充電IC中的“熱關斷”，“熱關斷”方式只是簡單地中止晶片中的所有電路工作，直到晶片溫度降至規定的數值。MAX1507所採用的方案能夠保證在晶片溫度不超出最大限制範圍的條件下提供最快的充電速率，隨著電池電壓的升高，充電電流在保持最高溫度的前提下逐漸升高，直到達到最大充電電流。在此之後，充電器在滿足晶片溫度限制的條件下將以最大充電電流對電池充電，直到電池電壓達到內部設置的4.2V±1%。電池電壓達到門限值後，U4將輸出電壓保持在4.2V，從而使充電電流開始下降。充電電流降低到快充電流的10%時，充電指示燈關閉，表示充電週期結束。
如果充電過程中輸出負載增大，例如，用戶在電池充電時啟動了其他電路，U4允許返回到限流模式。
測試結果
圖1電路輸入為110V交流電源，輸出為4.14V、740mA負載，效率可達到46%。當負載電流增大使電池電壓降至2.7V時，電路將輸出電流限制在802mA，比設置的780mA限流門限提高不到3%，在規定的參數指標以內。MAX1507允許±8%的變化。當電池電壓拉至2.5V時，輸出電流降至76.1mA，在78mA(780mA的1/10)的3%以內。U4資料手冊中規定允許±5%的範圍。輸出短路時電路還允許返回到該模式。
空載時，輸出穩定在4.2V左右，形成一個三角波，在U4輸出接一個負載電阻可以消除這個偏差，保持其連續性，但會降低系統效率，但對於交流電供電系統來說，效率並不重要。
本文小結
利用電流模式PWM控制器(U1)構成隔離電源，結合Li+電池充電IC(U4)和其他元件可以構成一個由通用的交流電源供電的Li+電池充電器。該方案不需要任何額外的控制電路(如微控制器的干預)，也不需要軟體發展。硬體開發只需對Maxim提供的標準評估板稍作修改即可，具有成本低、開發週期短等優勢。
由於系統沒有60Hz的隔離變壓器，具有尺寸小、輕便等特點，可用於手機或其他手持設備的充電。所有熱量均集中在交流適配器內，與內置充電器的手持設備相比，不需要過多考慮散熱問題。
作者注：調試本文介紹的電路時需要特別小心，因為這個電路的原邊連接的是交流電源，並且整流在很高的直流電壓，因此存在潛在的致命危險。任何調試本電路的人員必須嚴格遵守 MAX5022評估板規格書中關於防範的討論，這份規格書可以申請或者從 Maxim的網站上得到。
鋰離子 電池 充電器 的原理和制作
鋰離子電池的基本知識可擕式電子產品以電池作為電源。隨著可擕式產品的迅猛發展，各種電池的用量大增，並且開發出許多新型電池。除大家較熟悉的高性能鹼性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來開發的鋰電池。這裏主要介紹有關鋰電池的基本知識。這包括它的特性、主要參數、型號的意義、應用範圍及使用注意事項等。
鋰是一種金屬元素，其化學符號為Li(其英文名為lithium)，是一種銀白色、十分柔軟、化學性能活潑的金屬，在金屬中是最輕的。它除了應用於原子能工業外，可製造特種合金、特種玻璃(電視機上用的螢光屏玻璃)及鋰電池。在鋰電池中它用作電池的陽極。
鋰電池也分成兩大類：不可充電的及可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池，它只能將化學能一次性地轉化為電能，不能將電能還原回化學能(或者還原性能極差)。而可充電的電池稱為二次性電池(也稱為蓄電池)。它能將電能轉變成化學能儲存起來，在使用時，再將化學能轉換成電能，它是可逆的，如電能化學能鋰電池的主要特點。
鋰電池的最大特點是比能量高。什麼是比能量呢?比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。這裏舉一個例來說明：5號鎳鎘電池的額定電壓為1.2V，其容量為800mAh，則其能量為0.96Wh(1.2V×0.8Ah)。同樣尺寸的5號鋰－二氧化錳電池的額定電壓為3V，其容量為1200mAh，則其能量為3.6Wh。這兩種電池的體積是相同的，則鋰－二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的3.75倍!
一節5號鎳鎘電池約重23g，而一節5號鋰－二氧化錳電池約重18g。一節鋰－二氧化錳電池為3V，而兩節鎳鎘電池才2.4V。所以採用鋰電池時電池數量少(使可擕式電子產品體積減小、重量減輕)，並且電池的工作壽命長。
另外鋰電池具有放電電壓穩定、工作溫度範圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優點。
鋰電池的缺點是價格昂貴，所以目前尚不能普遍應用，主要應用於掌上電腦、PDA、通信設備、照相機、衛星、導彈、魚雷、儀器等。隨著技術的發展、工藝的改進及生產量的增加，鋰電池的價格將會不斷地下降，應用上也會更普遍。 不可充電的鋰電池
不可充電的鋰電池有多種，目前常用的有鋰－二氧化錳電池、鋰—亞硫醯氯電池及鋰和其他化合物電池。本文僅介紹最常用的。
1鋰－二氧化錳電池(Li.MnO2)
鋰－二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，並採用有機電解液的一次性電池。該電池的主要特點是電池電壓高，額定電壓為3V(是一般鹼性電池的2倍)；終止放電電壓為2V；比能量大(見上面舉的例子)；放電電壓穩定可靠；有較好的儲存性能(儲存時間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤2％)；工作溫度範圍－20℃∼＋60℃。
該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長方形、圓柱形及紐扣形(扣式)。圓柱形的也有不同的直徑及高度尺寸。
上圖就是日本產萬勝鋰－二氧化錳電池，3伏電壓，不可充電，單節體積15x40毫米。
可充電鋰離子電池
可充電鋰離子電池是目前手機中應用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會損壞電池或使之報廢)。因此，在電池上有保護元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。 鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在1%之內，目前各大半導體器件廠已開發出多種鋰離子電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。
現在手機已十分普遍，手機中一部分是鎳氫電池，但靈巧型的手機則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分重要的。鋰離子電池是目前應用最為廣泛的鋰電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，並且有由幾個電池串聯在一起組成的電池組。 鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產品為3.7V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關：陽極材料為石墨的4.2V；陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內阻也不同，焦炭陽極的內阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖1所示。一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池。現在使用的大部分是4.2V的，鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V∼2.75V(電池廠給出工作電壓範圍或給出終止放電電壓，各參數略有不同)。低於終止放電電壓繼續放電稱為過放，過放對電池會有損害。
鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時會降低放電時間(內部會產生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產工廠給出最大放電電流，在使用中應小於最大放電電流。 鋰離子電池對溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度範圍、放電溫度範圍及保存溫度範圍。 鋰離子電池對充電的要求是很高的，它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%(例如:充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)，過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應根據電池生產廠的建議，並要求有限流電路以免發生過流(過熱)。一般常用的充電率為0.25C∼1C（C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）。在大電流充電時往往要檢測電池溫度，以防止過熱損壞電池或產生爆炸。
鋰離子電池充電分為兩個階段：先恒流充電，到接近終止電壓時改為恒壓充電，其充電特性如圖2所示。這是一種800mAh容量的電池，其終止充電電壓為4.2V。電池以800mA(充電率為1C)恒流充電，開始時電池電壓以較大的斜率升壓，當電池電壓接近4.2V時，改成4.2V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為1/10C(約80mA)時，認為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到1/10C後啟動計時器，過一定時間後結束充電)。 鋰離子電池在充電或放電過程中若發生過充、過放或過流時，會造成電池的損壞或降低使用壽命。
應用注意事項:
鋰離子電池應用注意事項除與上述不可充電的鋰電池相同外，在充電方面還應注意以下幾點：
1. 鋰離子電池有4.1V及4.2V終止充電的不同品種，因此在充電時注意的是4.1V的電池不能用4.2V的充電器充電，否則會有過充的危險(4.1V與4.2V的充電器用的充電器IC是不同的!)。
2. 對電池充電時，其環境溫度不能超過產品特性表中所列的溫度範圍。
3. 不能反向充電。
4. 不能用充鎳鎘電池的充電器(充三節鎳鎘電池的)來充鋰離子電池(雖然額定電壓一樣，都是3.6V)，但充電方式不同，容易造成過充。
在放電方面應注意以下幾點：
1. 鋰離子電池放電電流不能超過產品特性表中給出最大放電電流。放電電流較大時，會產生較高的溫度(損耗能量)，減少放電時間，若電池中無保護元件會產生過熱而損壞電池。
2. 不同溫度下放電曲線是不同的，如圖5所示。從圖中可以看出，在不同的溫度下，其放電電壓及放電時間也不同。在-20℃放電時情況最差。
在貯存方面：
1. 電池若長期貯存，要保持在50%放電態。
2. 電池應保存在低溫、乾燥壞境中。
3. 要遠離熱源，也不要置於陽光直射的地方。
形象的工作原理比喻：
現在將鋰離子電池原理和充放電機理，用生活中常見的泡沫現象來比喻。鋰離子電池如同 一堆肥皂泡沫，泡內儲存的就是電能。當充電時，汽泡會隨著充電時間加長而不斷增大，當超過其極限值時汽泡就會破裂，此時即損壞了鋰電晶型，造成永久性損壞。
當過度放電則會造成汽泡塌陷、消失，這樣下次充電時汽泡也充不起來，而造成鋰電失效。 如何控制汽泡不充爆和汽泡不過度塌陷？就必須要用保護電路加以嚴格控制。 當然，優質的電芯和精確的控制電路可大大地延長電池的使用壽命。
鋰離子 電池 充電器 的原理和制作
鋰離子電池現已廣泛被大家使用的鋰離子電池是由鋰電池發展而來的。所以在認識鋰離子電池之前，我們先來介紹一下鋰電池。
舉例來講，以前照相機裏用的扣式電池就屬於鋰電池。鋰電池的負極材料是鋰金屬，正極材料是碳材。按照大家習慣上的命名規律，我們稱這種電池為鋰電池。
鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰，負極材料是碳材。電池通過正極產生的鋰離子在負極碳材中的嵌入與遷出來實現電池的充放電過程，為了區別於傳統意義上的鋰電池，所以人們稱之為鋰離子電池。
鋰離子電池的廣泛用途
發展高科技的目的是為了使其更好的服務於人類。鋰離子電池自1990年問世以來，因其卓越的性能得到了迅猛的發展，並廣泛地應用於社會。鋰離子電池以其他電池所不可比擬的優勢迅速佔領了許多領域，象大家熟知的移動電話、筆記本電腦、小型攝像機等等，且越來越多的國家將該電池應用於軍事用途。應用表明，鋰離子電池是一種理想的小型綠色電源。
鋰離子電池的主要構成
（1）電池蓋
（2）正
極----活性物質為氧化鈷鋰
（3）隔
膜----一種特殊的複合膜
（4）負
極----活性物質為碳
（5）有機電解液
（6）電池殼
鋰離子電池的優越性能
我們經常說的鋰離子電池的優越性是針對於傳統的鎳鎘電池（Ni/Cd）和鎳氫電池（Ni/MH）來講的。那麼，鋰離子電池究竟好在哪里呢？
（1）工作電壓高
（2）比能量大
（3）迴圈壽命長
（4）自放電率低
（5）無記憶效應
（6）無污染
以下是鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池性能的對比：
技術參數
鎳鎘電池
鎳氫電池
鋰離子電池
工作電壓（V） 1.2 1.2 3.6
重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140
體積比能量(Wh/l) 150 200 300
充放電壽命(次) 500 500 1000
自放電率（%/月） 25-30 30-35 6-9
有無記憶效應
有
有
無
有無污染
有
無
無
（注：充電速率均為1C）
鋰離子電池的工作原理
大家都已知道，鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰，負極是碳。
鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
同樣道理，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。
不難看出，在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處於從正極
→
負極
→
正極的運動狀態。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個可愛的名字搖椅式電池。
鋰離子電池的組裝過程
鋰離子電池的工藝技術非常嚴格、複雜，這裏只能簡單介紹一下其中的幾個主要工序。
（1）制漿
用專門的溶劑和粘接劑分別與粉末狀的正負極活性物質混合，經高速攪拌均勻後，製成漿狀的正負極物質。
（2）塗膜
將製成的漿料均勻地塗覆在金屬箔的表面，烘乾，分別製成正負極極片。
（3）裝配
按正極片--隔膜--負極片--隔膜自上而下的順序放好，經捲繞製成電池極芯，再經注入電解液、封口等工藝過程，即完成電池的裝配過程，製成成品電池。
（4）化成
用專用的電池充放電設備對成品電池進行充放電測試，對每一隻電池都進行檢測，篩選出合格的成品電池，待出廠。
鋰離子電池的安全特性
鋰離子電池已非常廣泛的應用於人們的日常生活中，所以它的安全性能絕對應該是鋰離子電池的第一項考核指標。對於鋰離子電池安全性能的考核指標，國際上規定了非常嚴格的標準，一隻合格的鋰離子電池在安全性能上應該滿足以下條件。
（1）短路：不起火，不爆炸
（2）過充電：不起火，不爆炸
（3）熱箱試驗：不起火，不爆炸（150℃恒溫10min）
（4）針剌：不爆炸（用Ф3mm釘穿透電池）
（5）平板衝擊：不起火，不爆炸（10kg重物自1M高處砸向電池）
（6）焚燒：不爆炸（煤氣火焰燒烤電池）
鋰離子電池安全特性是如何實現的？
為了確保鋰離子電池安全可靠的使用，專家們進行了非常嚴格、周密的電池安全設計，以達到電池安全考核指標。
（1）隔膜135℃自動關斷保護
採用國際先進的Celgard2300PE-PP-PE三層複合膜。在電池升溫達到120℃的情況下，複合膜兩側的PE膜孔閉合，電池內阻增大，電池內部升溫減緩，電池升溫達到135℃時，PP膜孔閉合，電池內部斷路，電池不再升溫，確保電池安全可靠。
（2）向電液中加入添加劑
在電池過充，電池電壓高於4.2v的條件下，電液添加劑與電液中其他物質聚合，電池內阻大副增加，電池內部形成大面積斷路，電池不再升溫。
（3）電池蓋複合結構
電池蓋採用刻痕防爆結構，電池升溫時，電池內部活化過程中所產生的部分氣體膨脹，電池內壓加大，壓力達到一定程度刻痕破裂、放氣。
（4）各種環境濫用試驗
進行各項濫用試驗，如外部短路、過充、針刺、平板衝擊、焚燒等，考察電池的安全性能。同時對電池進行溫度衝擊試驗和振動、跌落、衝擊等力學性能試驗，考察電池在實際使用環境下的性能情況。
鋰離子電池是一種新型綠色環保電池
“愛護環境，保護地球”是我們每一個人義不容辭的責任。如何把我們的環境理念在行動上反應出來呢？
作為電池消費者，應該購買、使用新型綠色環保電池；作為電池製造商，應該生產新型綠色環保電池。只有經過大家的共同努力，才能創建、保護我們美麗和諧的自然環境。
新型綠色環保電池是指近年來已投入使用或正在研製開發的一類高性能、無污染的電池。目前已經大量使用的鋰離子電池、金屬氫化物鎳電池和正在推廣使用的無汞鹼性鋅錳電池以及正在研製開發的鋰或鋰離子塑膠電池、燃料電池、電化學貯能超級電容器都屬於新型綠色環保電池的範疇。此外，目前已廣泛應用的利用太陽能進行光電轉換的太陽電池（又稱光伏發電），也屬於這一範疇。
1、鋰離子電池標稱電壓3.7V（3.6V）,充電截止電壓4.2V（4.1V,根據電芯的廠牌有不同的設計）。（鋰離子電芯規範的說法是：鋰離子二次電池）
2、對鋰離子電池充電要求（GB/T18287 2000規範）：首先恒流充電，即電流一定，而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到4.2V（4.1V）,改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續逐步減小，當減小到0.01C時，認為充電終止。（C是以電池標稱容量對照電流的一種表示方法，如電池是1000mAh的容量，1C就是充電電流1000mA，注意是mA而不是mAh，0.01C就是10mA。）當然，規範的表示方式是0.01C5A,我這裏簡化了。
3、為什麼認為0.01C為充電結束：這是國家標準GB/T18287-2000所規定的，也是討論得出的。以前大家普遍以20mA為結束，郵電部行業標準YD/T998-1999也是這樣規定的，即不管電池容量多大，停止電流都是20mA。國標規定的0.01C有助於充電更飽滿，對廠家一方通過鑒定有利。另外，國標規定了充電時間不超過8小時，就是說即使還沒有達到0.01C,8小時到了，也認為充電結束。（品質沒問題的電池，都應在8小時內達到0.01C,品質不好的電池，等下去也無意義）
4、怎樣區別電池是4.1V還是4.2V：消費者是無法區分的，這要看電芯生產廠家的產品規格書。有些牌子的電芯是4.1V和4.2V通用的，比如A&TB（東芝），國內廠家基本是4.2V,但也有例外，比如天津力神是4.1V（但目前也是按4.2V了）。
5、把4.1V的電芯充電到4.2V會怎麼樣：會使電池容量提高，感覺很好用，待機時間增加，但會減短電池的使用壽命。比如原來500次，減少到300次。同樣道理，把4.2V的電芯過充，也會減短壽命。鋰離子電芯是很嬌嫩的。
6、既然電池內有保護板，我們是否就可以放心了呢：不是，因為保護板的截止參數是4.35V（這還是好的，差的要4.4到4.5V),保護板是應付萬一的,假如每次都過充,電池也會很快衰減的。
7、多大的充電電流算是合適的：理論上越小對電池越有好處。但你總不能為了一塊電池充電等3天吧。國標規定的低倍率充電是0.2C（仲裁充電制式）,還以上面的1000mAh容量的電池為例，就是200mA，那麼我們可以估計出這只電池5個多小時可以充飽。（容量mAh＝電流mA×時間h）
國家技術監督部門鑒定鋰電容量，是以1C的高倍率充電，以0.2C的低倍率放電，以時間計算出容量值，試驗次數5次，有1次容量達到試驗結束。（就是有5次機會，如果第一次試驗就合格了，後面的4次不做）檢測之前允許有一次預迴圈，就是以1C恒流充電至4.2V即停止，而沒有後面的恒壓到0.01C的過程，更沒有14小時。
8、鋰離子電池能承受多大的充電電流：廠家試驗時可以很高，但國標高倍率規定為1C，還以上面的電池為例，1個多小時即可充滿。這麼大的充電電流，電池能承受嗎？對於目前的鋰離子電芯，是小意思而已。目前沒有對充電器的國家標準，所執行的是郵電部行業標準YD/T998 1999/2,裏面規定了充電器的電流不得大於1C。
9、壽命是怎樣規定的：簡單說是指電池經過N次1C充、1C放電後，容量下降到70%，此時的N就是壽命。並不是說300次還可以用，301次就不能用了。國標規定壽命不得小於300次。我們平時使用的條件沒有檢測時這麼嚴酷，壽命會更長。
鋰離子 電池 充電器 的原理和制作
鋰離子 電池 充電器 的原理和制作
型號說明：如：301021尺寸對應為：3.0mm*10mm*21mm 553450尺寸對應為：5.5mm*34mm*50mm型號
modle容量capacity型號
modle容量capacity型號
modle容量capacity 30102140502035300553450950 401518 80 452535300513455950 30122150501646300523448960 40141550303040300XP-623048960 054253603035353006034501000 401517705520353404051521050 065046704825353505037591100 301030703235353505035621100 45151775303340360XH-6030901100 451221803724473706434501110 501024803030483706734501200 401520855025353905040601300 451421854022483906037581350 501220853035454205051521400 451225904030404205050581400 4012351103433404203450851400 252030110601753440XH-9035621400 3814301106020404505447541500 4020201105030354505551521500 5012301206022465006051521600 4014301203134505206551521700 5012351304030485504050851700 5012351303234505509634501750 4020251305030405505050681800 6012301405624475804545861800 501430160423048600XH-8035621800 4595551603634506007040601900 6012351704034466005550682000 5020251706035296006147652000 28273217038335062045451002100 4217301803827556201134502150 3820301803834506808243742200 4020301805030487006547652200 4218301803037597005052802200 4717301904334507405050852200 42183520055304880030671002200 3724302206023568004655852300 382045220XH-70304880068341252300 6020252305330488506050802500 3030332303834608506045862500 40203523038356285050451352500 3025352305034608506050852800 40174323060304888064351463000 502030240XP-60304888040691143200 45203524062304890063301603200 5014422405234509006072743500 40253525060344690055481353500 38253527053345093068351353500 552030280XR-803040930XH-70431383500 58203029055344895054671003800 42204029055345095078351464000 602030300
49991669500
鋰離子 電池 充電器 的原理和制作
鋰離子 電池 充電器 的原理和制作
使用聚合物鋰電的八大理由
使用聚合物鋰電的八大理由 液態鋰離子電池（Li-ion）作為一種高效能源載體被廣泛應用於通訊、電子行業，特別是手機、PDA等個人通訊工具上。然而近一兩年來，隨著通訊技術的飛速發展，手機彩屏技術、彩信技術、藍牙技術及攝像技術相續出現，對電池的容量、體積、重量及電化學性能等指標提出了更高的要求，傳統的液態鋰電已越來越不能適應新的需求。新型聚合物鋰離子電池（Li-Poly）的出現，迎合了這一需求。聚合物鋰電是在原有鋼殼、鋁殼電池的基礎上發展起來的第三代鋰離子電池，以其更輕、更薄、能量密度更高的特點，受到國內外通訊終端廠商及設計公司的青睞。聚合物鋰離子電池與液態鋰離子電池最根本的區別在於二者所採用的電解質不同。聚合物鋰電池的電解質從外觀上看為固態，稱為聚合物固體電解質。這種電解質是一類處於固體狀態，但能像液體那樣溶解支持電解質，並能發生離子遷移現象的高分子材料。以下謹列舉使用聚合物鋰電的八大優勢，供參考
1.安全性能好
聚合物鋰電池在結構上採用鋁塑軟包裝，有別於液態電芯的金屬外殼，一旦發生安全隱患，液態電芯容易爆炸，而聚合物電芯最多只會氣鼓。
2.厚度小，能做得更薄
普通液態鋰電採用先定制外殼，後塞正負極村料的方法，厚度做到3.6mm以下存在技術瓶頸，聚合物電芯則不存在這一問題，厚度可做到1mm以下，符合時下手機需求方向。
3.重量輕
聚合物電池重量較同等容量規格的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%。
4.容量大
聚合物電池較同等尺寸規格的鋼殼電池容量高10∼15%，較鋁殼電池高5∼10%，成為彩屏手機及彩信手機的首選，現在市面上新出的彩屏和彩信手機也大多採用聚合物電芯。
5.內阻小
聚合物電芯的內阻較一般液態電芯小，目前國產聚合物電芯的內阻甚至可以做到35mΩ以下，極大的減低了電池的自耗電，延長手機的待機時間，完全可以達到與國際接軌的水準。這種支持大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的理想選擇，成為最有希望替代鎳氫電池的產品。
6.形狀可定制
聚合物電池可根據客戶的需求增加或減少電芯厚度，開發新的電芯型號，價格便宜，開模週期短，有的甚至可以根據手機形狀量身定做，以充分利用電池外殼空間，提升電池容量。
7.放電特性佳
聚合物電池採用膠體電解質，相比液態電解質，膠體電解質具有平穩的放電特性和更高的放電平臺。
8.保護板設計簡單
由於採用聚合物材料，電芯不起火、不爆炸，電芯本身具有足夠的安全性，因此聚合物電池的保護線路設計可考慮省略PTC和保險絲，從而節約電池成本。
聚合物鋰電池在安全性、體積、重量、容量、放電性能方面均具有極大優勢，但由於目前產能較低，製造成本高，因此價格居高不下，價格已成為影響聚合物鋰電池普及的瓶頸。據業內人士分析，到2005年，聚合物鋰電池將佔據世界手機電池市場的1/4左右，代表了手機電池未來的發展方向。
