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剖析鋰電池的工作原理以及基本特性

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年11月28日  

鋰離子電池的充電方式是限壓橫流方式。


充電開始時,應先檢測待充電電池的電壓,假如電壓低于3V,要先進行預充電,充電電流為設定電流的1/10,一般選0.05C左右。電壓升到3V后,進入標準充電過程。標準充電過程為:以設定電流進行恒流充電,電池電壓升到4.20V時,改為恒壓充電,保持充電電壓為4.20V。此時,充電電流逐漸下降,當電流下降至設定充電電流的1/10時,充電結束。


一般鋰離子電池充電電流設定在0.2C至1C之間,電流越大,充電越快,同時電池發(fā)熱也越大。而且,過大的電流充電,容量不夠滿,因為電池內(nèi)部的電化學反應要時間。就跟倒啤酒相同,倒太快的話會出現(xiàn)泡沫,反而不滿。


術語解釋:充放電電流一般用C作參照,C是對應電池容量的數(shù)值。電池容量一般用Ah、mAh表示,如M8的電池容量1200mAh,對應的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。


鋰離子電池的放電


對電池來說,正常使用就是放電啦。


鋰離子電池放電只要注意很少的幾點:第一,放電電流不能過大,過大的電流導致電池內(nèi)部發(fā)熱,有可能會造成永久性的損害。在手機上,這個倒是沒有問題的,可以不考慮。第二,絕對不能過放電!鋰離子電池最怕過放電,一旦放電電壓低于2.7V,將可能導致電池報廢。好在手機電池內(nèi)部都已經(jīng)裝了保護電路,電壓還沒低到損壞電池的程度,保護電路就會起用途,停止放電。


1放電曲線


放電率愈高,電池容量愈低,溫度低時,電池容量也會降低。不同的放電率表現(xiàn)出不同的電池容量,在較高的放電電流下,電池容量達不到額定值,電池電壓因為電池的內(nèi)阻而出現(xiàn)了較大的跌落(C為電池容量,單位Ah)。


2.2充電曲線


鋰離子電池進行充電時的三個階段: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態(tài)進行調整,使之進入可以進行大電流快速充電的狀態(tài);恒流充電的用途是將電能快速地儲存到電池中,恒壓充電階段則是最后的調整階段,它使電池的容量最大化。下圖顯示了充電的三個階段:


預充電(Precharge)發(fā)生在電池電壓比較低時,關于大多數(shù)鋰離子電池來說,這個電壓通常含義在3V以下,此階段的充電電流一般控制在0.1C-0.3C左右。恒流充電(CC)的電流大多設定在0.5C-1C左右,電池電壓被充電到設置的電壓(一般為4.2V或4.35V,根據(jù)電池種類不同而不同)。恒壓充電(CV)階段,電流將逐漸下降,下降到一定程度(通常是0.1C)以后,可以認為電池已經(jīng)充滿了,充電過程將截止。


2.3循環(huán)壽命


循環(huán)次數(shù)是當一個電池所經(jīng)歷完整充放電的次數(shù),是可由實際放電容量與設計容量來估計。每當累積的放電容量等于設計容量時,則循環(huán)次數(shù)一次。通常在500次充放電循環(huán)后,完全充電的電池容量約會下降10%?20%。


2.4自放電率


所有電池的自放電都會隨著溫度上升而新增。自放電基本上不是制造上的瑕疵,而是電池本身特性。然而制造過程中不當?shù)奶幚硪矔斐勺苑烹姷男略觥Mǔk姵販囟让啃略?0C,自放電率即倍增。鋰離子電池每個月自放電量約為1?2%。


2.5充電溫度控制


鋰離子電池的工作溫度范圍是-20?60℃,電池所處的溫度對其充電會有重大影響。通常情況下,溫度過低或過高時,應當禁止對電池進行充電操作。正常鋰離子電池充電溫度控制在10?45℃。有的國家和地區(qū)還對電池充電制定了不同溫度下的不同策略,日本在此方面是一個典型,特別制訂的JEITA規(guī)范就要求在溫度過低和過高時降低恒流充電電流、恒壓充電電壓,這一規(guī)范恰好與電池的容量隨著溫度的變化而變化的特性緊密對應。


在T2-T3溫度范圍內(nèi),充電電流和充電電壓上限都在正常范圍。在低溫時(T1-T2),鋰離子反應緩慢,持續(xù)大電流充電時會出現(xiàn)大量熱量加快電池老化,規(guī)劃規(guī)定在此范圍內(nèi)充電電流降至0.5C,溫度低于T1或高于T5時充電停止。在高溫時(T3-T5),假如充電期間電池表面溫度升至T3以上,陰極材料開始變得更加活躍,會在電池電壓升高時與電解質出現(xiàn)化學反應,溫度過高會發(fā)生爆炸。因此在高溫時要降低截至電壓,T3-T4階段,最大截至電壓為4.15V。T4-T5階段,最大截至電壓為4.1V,使用低充電壓確保電池安全性。


2.6鋰離子電池保護


鋰離子電池在使用中最重要的是要確保它不會被過度充電和放電,這兩種行為對它的傷害都是不可修復的,甚至可能還是危險的,因為它的內(nèi)部材料結構被破壞了,什么問題都可能表現(xiàn)出來。因此使用中首先要做的就是要給它加上保護電路,確保過度的行為不會發(fā)生。目前市面上鋰離子電池保護IC很多,其功能都相同就是實現(xiàn)過流、過壓保護和過充、過放保護,下圖是截取自RT9545規(guī)格書的應用電路圖:


在這里插入圖片描述


在一般應用中,保護IC這部分電路是和電池一起放在電池包里的,用戶能夠看到的僅僅是+、-兩個電極。使用鋰離子電池時要注意是否內(nèi)置保護芯片,確保鋰離子電池在使用時不會被過放。電路中Q1和Q2既是用于實現(xiàn)放電和充電時的保護開關,當IC在開關兩端檢測到過大的電壓壓降時,就會強制MOSFET進入截止狀態(tài),從而關閉流過電池的電流,達到保護電池的目的。


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