Li-ion----鋰離子電池的充放電特性

引言：隨著鋰離子電池的大規(guī)模使用，從消費(fèi)電子延伸到現(xiàn)在如火如荼的新能源汽車，無論外在體系怎么變，還是鋰電池化學(xué)組分向前改善，鋰離子電池的本質(zhì)并沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)的變化，其充放電特性也遵從相似的階梯曲線。本節(jié)主要介紹鋰離子電池的充放電特性，作為Power系列重要的基礎(chǔ)認(rèn)知。

1.鋰電池的特性

鋰離子電池是能量密度最高的電池之一，其單節(jié)電池提供的電壓更高，承受的電流也更大，而且在電池滿電時(shí)無需涓流充電。但是鋰離子電池沒有記憶效應(yīng)，這意味著它不會(huì)“記住”在電量完全耗盡之前剩余的電量，所以鋰離子電池必須采用特殊的恒流恒壓 (CC-CV) 充電曲線進(jìn)行充電，充電曲線可根據(jù)電池溫度和電壓水平自動(dòng)調(diào)整。

2.鋰電池的充電階段

階段1（涓流充電）-->Trickle Charge

如果電池電壓低于VBATT_TC（涓充轉(zhuǎn)預(yù)充電壓閾值）（2V/cell），IC將以100mA（可調(diào)整）的涓流充電電流對(duì)電池充電。涓流充電階段通常只在電池電壓低于一個(gè)極低水平（約2.1V）時(shí)采用。在這種狀態(tài)下，電池組的內(nèi)部保護(hù)IC可能由于深度放電或發(fā)生過流事件已經(jīng)斷開了電池。充電器 IC 提供一個(gè)小電流（通常為 50mA）為電池組的電容充電，以觸發(fā)保護(hù) IC ，合上其MOSFET重新連接電池。雖然涓流充電通常只持續(xù)幾秒鐘，但充電IC仍然需要集成一個(gè)定時(shí)器。如果電池組在一定時(shí)間內(nèi)未重新連接，表明電池已損壞，定時(shí)器停止充電。

階段2（預(yù)充電）-->Pre-Charge

一旦電池組重新連接或處于放電狀態(tài)，就進(jìn)入預(yù)充電階段。預(yù)充電期間，充電器IC開始以一個(gè)較低的電流水平為耗盡的電池安全充電，該電流通常為C/10（C為容量，以mAh為單位）。預(yù)充電使電池電壓緩慢上升，其目的是在低電流水平下對(duì)電池進(jìn)行安全的充電，以防止損壞電池，直到其電壓達(dá)到一個(gè)較高的水平。

階段3（恒流充電）-->CC

恒流（CC）充電也被稱作快速充電階段，恒流充電在預(yù)充電之后開始，一旦電池電壓達(dá)到每節(jié)3V（可調(diào)整）左右即開始恒流充電。在恒流充電階段，電池可以安全地輸出0.5C至3C之間的較高充電電流。恒流充電會(huì)持續(xù)到電池電壓達(dá)到“滿電”或浮動(dòng)電壓水平，然后進(jìn)入恒壓充電階段。

階段4（恒壓充電）-->CV

鋰電池的恒壓（CV）閾值通常為每節(jié)4.1V至4.5V。充電IC會(huì)在恒流充電期間監(jiān)測(cè)電池電壓。一旦電池達(dá)到恒壓充電閾值，充電器IC就會(huì)從恒流轉(zhuǎn)換至恒壓調(diào)節(jié)階段。當(dāng)充電器IC監(jiān)測(cè)到外部電池組電壓超過了電池組中的實(shí)際電池電壓，就開始執(zhí)行恒壓充電。這是由于存在內(nèi)部電池電阻、PCB電阻和來自保護(hù)板PCM上MOSFET和單電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。充電IC不允許電池電壓超過其最大浮動(dòng)電壓，以保證充電系統(tǒng)安全的運(yùn)行。

階段5 充電截止--->Stop

當(dāng)恒壓充電階段，當(dāng)流入電池的電流降至設(shè)定閾值（約為C/10）以下時(shí)，充電器IC即終止充電周期。此時(shí)電池被認(rèn)為已充滿電，充電完成。如果充電器IC的充電截止功能被禁用，充電電流會(huì)自然衰減至0mA，但實(shí)際中很少這樣做。因?yàn)樵诤銐撼潆娖陂g，進(jìn)入電池的電荷量呈指數(shù)級(jí)下降（因?yàn)殡姵仉妷旱脑龃缶腿缤粋€(gè)大電容器），在容量增加極少的情況下，為電池充電需要非常長(zhǎng)的時(shí)間。

圖3-1：典型的充電階段圖

3.鋰電池的C率

C就是Capacity，容量的簡(jiǎn)稱，電池的“C率”指定了電池充放電的最大電流。標(biāo)準(zhǔn)C率通常在0.5C到3C之間，具體取決于所用的具體電池，通常需要在較高C率和較低能量密度之間進(jìn)行權(quán)衡。例如一塊3000mAh的電池，C率為1C，意味著電池能夠以最大3A的電流充電。通常，電池制造商還會(huì)為C率指定不同的電壓和溫度范圍，在電壓較低或溫度較高/較低的條件下，C率會(huì)降低。

如果一塊電池具有較高的C率，我們稱它為高倍率電池，那它就可以釋放更大的電流，也可以更快地充電。例如相比無線揚(yáng)聲器，較高C率的電池對(duì)智能手機(jī)和筆記本電腦等便攜式設(shè)備來說更加有用，因?yàn)檫@些便攜式設(shè)備可能需要每天至少充電一次。通常對(duì)運(yùn)行時(shí)間較短且需要持續(xù)使用的設(shè)備來說，快充肯定是首選。了解電池的C率可以幫助設(shè)計(jì)人員確定充電電流，如何優(yōu)化其充電曲線解決方案，使我們能夠選擇最適合其電池的充電器IC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和安全功能。

4.鋰電池容量的計(jì)算

對(duì)于mAh（毫安時(shí)）的計(jì)量單位，鋰電池容量C的計(jì)算方法遵從以下公式：

其中I為電池恒流放電電流，T為持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。例如5000mAh的電池，即意味著該電池可以以5A（1C）的放電電流持續(xù)放電1h，或者2.5A（0.5C）的放電電流持續(xù)放電2h，以此來衡量電池容量的大小。

對(duì)于使用Wh（瓦時(shí)）的能量計(jì)量單位，按照定義，電能以1V的電壓和每秒1A的電流釋放所輸出的功率即為1W：

如果已知電池的標(biāo)稱電壓和標(biāo)稱容量Ah（安時(shí)），則可以計(jì)算得到額定能量容量值：
?

比如筆記本電腦電池額定容量為7410mAh，額定工作電壓為7.6V，那么其總額定能量值為7.41Ah×7.6V=56.3Wh。

區(qū)別：從上面的計(jì)算可以看出mAh計(jì)量單位更多的是電池放電能力的一種體現(xiàn)，只是因?yàn)楝F(xiàn)在智能手機(jī)鋰電池都是使用4.2V電壓體系，當(dāng)大家的額定電壓都相同的情況下，只以mAh來衡量容量沒有什么問題。但在筆記本電池中，額定電壓并不相同，電池串并數(shù)量也不同，只以mAh來計(jì)量容量是錯(cuò)誤的，需要結(jié)合額定工作電壓，計(jì)算出Wh來得到其真正的容量。例如7410mAh的筆記本電池和4200mAh的電池，它們的瓦時(shí)數(shù)為筆記本電池：7.41Ah×7.6V=56.3Wh；手機(jī)電池：4.2Ah×4.2V=17.64Wh，實(shí)際筆記本電池相當(dāng)于3~4枚手機(jī)電池。