锂电池充电管理介绍

锂电池管理

1 锂电池特性概述

锂离子电池（锂电池）是以锂合金的金属氧化物为阳极材料、以石墨为阴极材料、使用非水电解质的可充电电池。锂离子电池具有以下优点：重量轻，其能量密度是镍-镉电池的两倍；自放电比镍-镉电池少6〜8倍；没有记忆效应；单元电压大约3.6伏，属于较高水平，通常能满足大多数应用的需要。这些特点让锂离子电池在便携式电子产品中得到广泛的应用，下图是几种手机锂电池样品。

但是锂电池又因为其特性特别活泼，稍有不慎，容易燃烧，而燃烧带来的温度升高以及体积膨胀会给周围环境甚至人身造成很大的损害，甚至导致许多灾难的后果，因此在锂电池的制作，保存以及运输过程中要慎之又慎；此外，对其进行的保护以及充放电要有很多研究。

2 锂电池充电策略

锂电池的充电过程可以看成给气球充气（充满）的过程：
一开始往气球充气可以速度较快，随着气球膨胀的越来越大，应该适当降低充气速度，如果你充的过快，气球膨胀速度跟不上充气速度，则气球就会“嘭”的一声炸开；

在充电的过程中，在充电器施加的外电场作用下，Li+从正极LiCoO2中脱出进入电解液并向负极移动，依次进入石墨组成的负极，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来越高，LiC晶格留下的空格越来越少，从正极移动过来的Li+找到空格的机会就越来越小，所需时间就越来越长，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。枝晶的长大最终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越危险，充电的时间越长也越危险。

基于对锂离子电池特性的理解，业界已经形成了对锂离子电池进行充电时的三阶段策略：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；恒流充电的作用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，但其进行过程是完全依照电池自身的需要进行的，不像恒流充电阶段那样对电池有强大的外来压力（电场力）。任何违背电池本身特性的行为，尤其是超过电池接受能力的过大电流或是超过电池过充电压的操作都会对电池的寿命带来无法挽回的影响，所以任何完善的充电管理方案都必须按照严格的规范来进行设计。

对于一个过放的锂电池在充电的初期需要一个预充过程，这个时候的充电电压小于一个最小值，此时充电电流必须很小，慢慢的使电池进入一个可以接受大电流充电的充电状态。预充的过程还有一个解除电池过放保护的作用。在正常使用过成功，尽量使电池不进入这个状态，因为电池经常在这个状态会导致电池损害。
电池预充超过一定阈值后，会进入快充的阶段。在这个阶段，电池可以使用恒定电流进行充电（CC, constant Current）。这时的充电电流一般可有电池容量决定，一般是0.5C~1C之间，电池的内阻越低，越能使用高电流进行充电。
当电池的电压达到电池的额定电压时，充电过程要从恒流（CC）模式转为恒压充电（CV,constant Voltage）模式，在这个模式下充电电流会逐渐下降；此时需要对恒压充电的电压需要很好的控制，防止对电池的产生过充的危险；一般这个值是4.1V—4.4V之间。
当充电电流达到截止电流时充电会截止，此时可认为电池已经满电；对已经充满电的电池进行持续的充电是不允许的，这样会缩短电池的寿命；只有电池电压又降低到某一值，才会重启充电过程；

3 锂电池温度特性

上图表示温度对锂离子电池容量和电压的影响；
很多开关模式充电器件都能按照JEITA所制订的规范在不同的温度下采取不同的充电策略，它们一般把实用的温度范围分成5个区间（冷，凉，常温，暖，热），并在不同的区间实施不同的充电参数。在冷、热区间里，充电是被禁止的；在凉、暖区间里，建议将充电电流和充电电压之一或是两者都降下来；在常温区间里，充电电压和充电电流都保持在正常值。具体见下图：

4 锂电池充电定时器

正常设计的锂离子电池充电管理系统都能在正常的充电时间内将电池充满，但如果遇到某些意外状况，例如电池存在超过规格限制的漏电行为（短路也算是这一类的）或是有负载参与到系统中（这在充电电路、电池和系统以串联方式连接时常常发生），充电过程结束的条件就有可能永远不会达成，我们永远不会看到充电完成的提示信息。在这种状况下，充电安全定时器就是必不可少的配置，它将限制最长的充电时间，时间一到，无论电池处于什么状态，充电过程都会自动结束，只有重启系统才能让充电操作再次进行。

5 路径管理

所谓的路径管理其实不是充电管理的问题，它是系统设计的问题。对于使用电池供电的系统来说，是否需要在充电的同时让负载处于工作状态，这对系统的设计影响巨大。考虑路径管理问题，就是考虑如何让电能进入电池，又如何从电池向负载供电，考虑是否要让外部电源直接为负载供电，考虑在外部电源不足以满足负载需要、充电需要或是两者的共同需要时，到底要如何做的问题；
关于路径管理一般分为两种连接方式：串联连接方式和并联连接方式；
串联连接方式是充电器件、电池和负载是一个个挨次连接起来，因此来自外部电源的电流必须经过充电管理器件、电池以后才能进入负载；串联连接非常简单，只要电池中有足够的电能，负载就能直接工作，成本也低，所以被广泛使用。它的唯一缺陷是当电池电能不满足负载的需要时，负载无法进入工作状态；在实际项目应用中，当电池电压过低时，即使有外部电源输入系统也不会开机；

并联连接方式能将输入电流自动地在负载和电池之间进行分配并优先满足负载的需求，同时又将尽可能多的电能送入电池中；更进一步的做法是当输入电源不能满足负载需求时，自动将电池加入供电源行列，与外部电源一起共同为负载供电，确保负载能够正常工作。具体应用如下图所示：

6 线性充电和开关式充电

在任何情况下，只有外来电源形成的电压高于电池电压，电流才能进入电池实现充电目标，所以几乎所有的充电用电源适配器输出电压都是高于电池最高电压的。但我们通常并不能将外接电源直接接入电池进行充电，这将导致电流不可控的结果，这也是为什么会有充电管理器件的存在的原因。
很显然，IC内部的从VIN到BATT端之间的MOSFET构成了外部电源和电池之间的调整元件（这和线性稳压器非常相似），它在完成调整任务的同时，也是一个很讨人厌的热源地——VIN和电池电压之间的电压差乘上流过它的充电电流形成的功耗在这里转化为热量，这是一种浪费，对某些系统来说可能还是个灾难，这在电池电压偏低、电源电压偏高时尤为严重。为了解决这一问题，最简单的做法是降低输入电压（让输入电压略高于电池电压是最好的做法）、降低充电电流，但降低输入电压可能造成电池充不满的问题（这个做法还常常无法实施，或许有一天会出现自动调整的电源来满足这一需要），降低充电电流则会造成充电时间过长的问题。
解决效率和热问题的另一种做法是弃用线性恒流、恒压源，改用开关型转换电路；

7 过压过流保护以及欠压保护

整个充电链路可如下所示，power source端一般是整个系统的最外围接口部分，对于有线充电外部电缆在这里反复地插拔以及无线充电的入场出场，电流在这里通通断断，虽然大多数外接的电源都是5V的设计，但实际出现的电压可能是千差万别的，尤其是在进行插拔操作时和电流变化时，高于设定电压的高压冲击难以避免。因此需要在power source之后的电路中需要添加过压过流等保护措施，当任何一种意外发生时，它都能在确定的时间内将外部电源和内部系统之间的联系切断，确保系统的安全；

此外电池输入端也要添加电池过压过流等保护，防止外部的不良输入给电池造成难以预估的损害；