1 锂電池特性概述

锂離子電池（锂電池）是以锂合金的金屬氧化物為陽極材料、以石墨為陰極材料、使用非水電解質的可充電電池。锂離子電池具有以下優點：重量輕，其能量密度是鎳-镉電池的兩倍；自放電比鎳-镉電池少6〜8倍；沒有記憶效應；單元電壓大約3.6伏，屬于較高水平，通常能滿足大多數應用的需要。這些特點讓锂離子電池在便攜式電子産品中得到廣泛的應用，下圖是幾種手機锂電池樣品。

但是锂電池又因為其特性特别活潑，稍有不慎，容易燃燒，而燃燒帶來的溫度升高以及體積膨脹會給周圍環境甚至人身造成很大的損害，甚至導緻許多災難的後果，因此在锂電池的制作，保存以及運輸過程中要慎之又慎；此外，對其進行的保護以及充放電要有很多研究。

2 锂電池充電策略

锂電池的充電過程可以看成給氣球充氣（充滿）的過程：

一開始往氣球充氣可以速度較快，随着氣球膨脹的越來越大，應該适當降低充氣速度，如果你充的過快，氣球膨脹速度跟不上充氣速度，則氣球就會“嘭”的一聲炸開；

在充電的過程中，在充電器施加的外電場作用下，Li 從正極LiCoO2中脫出進入電解液并向負極移動，依次進入石墨組成的負極，在那兒形成LiC化合物。

如果充電速度過快，會使得Li 來不及進入負極栅格，在負極附近的電解液中就會聚集Li ，這些靠近負極的Li 很可能從負極俘獲一個電子成為金屬Li。持續的金屬锂生成會在負極附近堆積、長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。另一種情形，随着負極的充滿程度越來越高，LiC晶格留下的空格越來越少，從正極移動過來的Li 找到空格的機會就越來越小，所需時間就越來越長，如果充電速度不變的話，一樣可能在負極表面形成局部的Li 堆積。因此，在充電的後半段必須逐步縮小充電電流。枝晶的長大最終會刺破正負級之間的隔膜，形成短路。可以想象，充電的速度越快越危險，充電終止的電壓越高也越危險，充電的時間越長也越危險。

基于對锂離子電池特性的理解，業界已經形成了對锂離子電池進行充電時的三階段策略：預充電、恒流充電和恒壓充電。預充電的意義是要對電池的狀态進行調整，使之進入可以進行大電流快速充電的狀态；恒流充電的作用是将電能快速地儲存到電池中；恒壓充電階段則是最後的調整階段，它使電池的容量最大化，但其進行過程是完全依照電池自身的需要進行的，不像恒流充電階段那樣對電池有強大的外來壓力（電場力）。任何違背電池本身特性的行為，尤其是超過電池接受能力的過大電流或是超過電池過充電壓的操作都會對電池的壽命帶來無法挽回的影響，所以任何完善的充電管理方案都必須按照嚴格的規範來進行設計。

對于一個過放的锂電池在充電的初期需要一個預充過程，這個時候的充電電壓小于一個最小值，此時充電電流必須很小，慢慢的使電池進入一個可以接受大電流充電的充電狀态。預充的過程還有一個解除電池過放保護的作用。在正常使用過成功，盡量使電池不進入這個狀态，因為電池經常在這個狀态會導緻電池損害。

電池預充超過一定阈值後，會進入快充的階段。在這個階段，電池可以使用恒定電流進行充電（CC, constant Current）。這時的充電電流一般可有電池容量決定，一般是0.5C~1C之間，電池的内阻越低，越能使用高電流進行充電。

當電池的電壓達到電池的額定電壓時，充電過程要從恒流（CC）模式轉為恒壓充電（CV,constant Voltage）模式，在這個模式下充電電流會逐漸下降；此時需要對恒壓充電的電壓需要很好的控制，防止對電池的産生過充的危險；一般這個值是4.1V—4.4V之間。

當充電電流達到截止電流時充電會截止，此時可認為電池已經滿電；對已經充滿電的電池進行持續的充電是不允許的，這樣會縮短電池的壽命；隻有電池電壓又降低到某一值，才會重啟充電過程；

3 锂電池溫度特性

上圖表示溫度對锂離子電池容量和電壓的影響；

很多開關模式充電器件都能按照JEITA所制訂的規範在不同的溫度下采取不同的充電策略，它們一般把實用的溫度範圍分成5個區間（冷，涼，常溫，暖，熱），并在不同的區間實施不同的充電參數。在冷、熱區間裡，充電是被禁止的；在涼、暖區間裡，建議将充電電流和充電電壓之一或是兩者都降下來；在常溫區間裡，充電電壓和充電電流都保持在正常值。具體見下圖：

4. 锂電池充電定時器

正常設計的锂離子電池充電管理系統都能在正常的充電時間内将電池充滿，但如果遇到某些意外狀況，例如電池存在超過規格限制的漏電行為（短路也算是這一類的）或是有負載參與到系統中（這在充電電路、電池和系統以串聯方式連接時常常發生），充電過程結束的條件就有可能永遠不會達成，我們永遠不會看到充電完成的提示信息。在這種狀況下，充電安全定時器就是必不可少的配置，它将限制最長的充電時間，時間一到，無論電池處于什麼狀态，充電過程都會自動結束，隻有重啟系統才能讓充電操作再次進行。

5 路徑管理

所謂的路徑管理其實不是充電管理的問題，它是系統設計的問題。對于使用電池供電的系統來說，是否需要在充電的同時讓負載處于工作狀态，這對系統的設計影響巨大。考慮路徑管理問題，就是考慮如何讓電能進入電池，又如何從電池向負載供電，考慮是否要讓外部電源直接為負載供電，考慮在外部電源不足以滿足負載需要、充電需要或是兩者的共同需要時，到底要如何做的問題；

關于路徑管理一般分為兩種連接方式：串聯連接方式和并聯連接方式；

串聯連接方式是充電器件、電池和負載是一個個挨次連接起來，因此來自外部電源的電流必須經過充電管理器件、電池以後才能進入負載；串聯連接非常簡單，隻要電池中有足夠的電能，負載就能直接工作，成本也低，所以被廣泛使用。它的唯一缺陷是當電池電能不滿足負載的需要時，負載無法進入工作狀态；在實際項目應用中，當電池電壓過低時，即使有外部電源輸入系統也不會開機；

并聯連接方式能将輸入電流自動地在負載和電池之間進行分配并優先滿足負載的需求，同時又将盡可能多的電能送入電池中；更進一步的做法是當輸入電源不能滿足負載需求時，自動将電池加入供電源行列，與外部電源一起共同為負載供電，确保負載能夠正常工作。具體應用如下圖所示：

6 線性充電和開關式充電

在任何情況下，隻有外來電源形成的電壓高于電池電壓，電流才能進入電池實現充電目标，所以幾乎所有的充電用電源适配器輸出電壓都是高于電池最高電壓的。但我們通常并不能将外接電源直接接入電池進行充電，這将導緻電流不可控的結果，這也是為什麼會有充電管理器件的存在的原因。

很顯然，IC内部的從VIN到BATT端之間的MOSFET構成了外部電源和電池之間的調整元件（這和線性穩壓器非常相似），它在完成調整任務的同時，也是一個很讨人厭的熱源地——VIN和電池電壓之間的電壓差乘上流過它的充電電流形成的功耗在這裡轉化為熱量，這是一種浪費，對某些系統來說可能還是個災難，這在電池電壓偏低、電源電壓偏高時尤為嚴重。為了解決這一問題，最簡單的做法是降低輸入電壓（讓輸入電壓略高于電池電壓是最好的做法）、降低充電電流，但降低輸入電壓可能造成電池充不滿的問題（這個做法還常常無法實施，或許有一天會出現自動調整的電源來滿足這一需要），降低充電電流則會造成充電時間過長的問題。

解決效率和熱問題的另一種做法是棄用線性恒流、恒壓源，改用開關型轉換電路；

7 過壓過流保護以及欠壓保護

整個充電鍊路可如下所示，power source端一般是整個系統的最外圍接口部分，對于有線充電外部電纜在這裡反複地插拔以及無線充電的入場出場，電流在這裡通通斷斷，雖然大多數外接的電源都是5V的設計，但實際出現的電壓可能是千差萬别的，尤其是在進行插拔操作時和電流變化時，高于設定電壓的高壓沖擊難以避免。因此需要在power source之後的電路中需要添加過壓過流等保護措施，當任何一種意外發生時，它都能在确定的時間内将外部電源和内部系統之間的聯系切斷，确保系統的安全；

此外電池輸入端也要添加電池過壓過流等保護，防止外部的不良輸入給電池造成難以預估的損害；

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