锂离子电池正确的充电方法，快来看看你错了没

　　常见的使用电池运行的电子设备，大多数选择的电池类型都是锂离子电池。

　　在之前使用到的其他类型中，镍镉电池占比很大，在2003年2月，欧盟颁布了ROHS指令，规定2006年7月1日起，进入欧盟市场的电子电气产品禁用6类有害物质。因此对这些类型的总体需求有所下降。

　　镍氢电池仍在使用，但其较低的能量密度和成本效益比使它们缺乏吸引力。本文将重点讨论锂离子电池及其正确的充电方法。

锂离子电池组成

　　锂离子电池被视为二次电池（可多次使用），这也就意味着它们是可充电的。最常见的类型包括阳极，该阳极由涂在铜基板或集电器上的石墨层制成，而阴极由锂钴氧化物涂在铝基板上。

　　隔膜通常是聚乙烯或聚丙烯薄膜，可将两个电极电隔离，但允许锂离子通过。如图1所示。

　　还使用各种其他类型的阳极和阴极材料，最常见的阴极通常将其名称用于电池的类型描述。

　　因此，锂钴氧化物阴极电池被称为LCO电池。锂镍锰钴氧化物类型被称为NMC类型，而具有磷酸锂铁阴极的电池被称为LFP电池。

图1 锂离子电池的主要组件

　　在实际的锂离子电池中，这些层通常紧密地缠绕在一起，并且电解质虽然是液体，但勉强可以润湿电极，并且内部没有液体晃动。

　　这种布置如图2所示，它描绘了棱形或矩形金属外壳电池的实际内部结构。其他常见的箱子类型是圆柱形和小袋（通常称为聚合物电池）。

　　该图未显示连接到每个集电器的金属接线片。这些接线片是到电池的电气连接，本质上是电池端子。

图2 圆柱形锂离子电池的内部结构

　　给锂离子电池充电涉及使用外部能源将带正电的锂离子从阴极驱动到阳极。因此，阴极带负电，而阳极带正电。

　　从外部看，充电涉及电子从阳极侧向充电源的移动，以及相同数量的电子被推入阴极。这是与锂离子内部流动相反的方向。

　　放电期间，外部负载跨接在电池端子之间。储存在阳极中的锂离子会移回到阴极。在外部，这涉及电子从阴极到阳极的移动。因此，电流流过负载。

　　简而言之，例如，在充电过程中电池内部发生的事情是，在钴酸锂的阴极侧，它释放了一些锂离子，变成了一种锂含量较低的化合物，仍然是化学稳定的。

　　这些锂离子在阳极侧嵌入或嵌入石墨分子晶格的间隙中。

　　在充电和放电期间必须考虑到的几个问题。在内部，锂离子在充电和放电期间必须穿过多个界面。例如，在充电期间，锂离子必须从阴极的大部分传输到阴极到电解质的界面。

　　它必须从那里穿过电解质，穿过隔板到达电解质与阳极之间的界面。最后，它必须从该界面扩散到大部分阳极材料。

　　通过这些不同介质中的每一种的电荷传输速率取决于其离子迁移率。这又受诸如温度和离子浓度的因素影响。

　　实际上，这意味着在充电和放电期间必须采取预防措施，以确保不超出这些限制。

锂离子电池充电注意事项

为锂离子电池充电需要注意特殊的充电算法。分为以下几个阶段：

1.细流充电（预充电）

　　如果电池充电水平非常低，则以降低的恒定电流速率进行充电，该恒定电流速率通常约为接下来描述的全速率充电速率的1/10。

在此期间，电池电压增加，并且当其达到给定阈值时，充电率将增加到满充电率。

　　请注意，某些充电器将细流充电阶段分为两个阶段：预充电和恒流充电，具体取决于电池电压最初的电量。

2.全部充电

　　如果电池电压初始足够高，或者如果电池已充电至此点，则将启动充满电阶段。

　　这也是恒流充电阶段，在此阶段中，电池电压继续缓慢上升。

3.锥形充电

　　当电池电压上升到最大充电电压时，逐渐开始锥形充电阶段。在此阶段，充电电压保持恒定。

　　这一点很重要，因为如果以高于其最大电压的电压充电，锂离子电池将发生灾难性的故障。如果该充电电压保持恒定在该最大值，则充电电流将缓慢减小。

4.中断/结束

　　当充电电流降低到足够低的值时，充电器与电池断开连接。该值通常为全速率充电电流的1/10或1/20。

　　重要的是不要使锂离子充电电池浮动，因为这会长期降低电池的性能和可靠性。

　　尽管上一节描述了各个充电阶段，但并未提供各个阶段的特定阈值。从电压开始，每种锂离子电池类型都有自己的满充电端电压。

　　对于最常见的LCO和NCM类型，该电压为4.2V。还有一些4.35V和4.45V。

　　对于LFP类型，它是3.65V。对于LCO / NMC和LFP类型，流充电至充满电阈值分别约为3.0和2.6。

　　旨在为一种类型的锂离子电池（例如LCO）充电的充电器不能用于为另一种类型的锂离子电池（例如LFP电池）充电。

　　但是请注意，有些充电器可以配置为多种类型的充电器。这些通常需要在充电器设计中使用不同的组件值，才能容纳每种类型的电池。

　　关于充电电流，需要一些解释。传统上，锂离子电池的容量报告为mAh或Ah。该单位本身实际上并不是能量存储容量的单位。为了达到实际的能量容量，必须考虑电池电压。

　　图3显示了LCO型锂离子电池的典型放电曲线。由于放电电压具有斜率，因此将整个放电曲线的平均电池电压作为电池电压。

　　对于LCO类型，此值通常为3.7至3.85V，对于LFP类型，此值为2.6V。然后，将mAh值乘以电池的平均电压即可得出给定电池的mWh或储能容量。

　　电池充电电流以C速率表示，其中1C在数值上与以mA为单位的电池容量相同。因此，1000mAh电池的C值为1000mA。由于各种原因，锂离子电池允许的最大充电速率通常在LCO类型为0.5C至1C之间，对于LFP类型为3C或更高。

　　当然，一个电池可以至少由一个电池组成，但也可以由许多电池组成，这些电池是串联连接的一组并联电池的组合。

　　之前我们说到的方案适用于单节电池。如果电池由多个电池组成，则必须调整充电电压和充电电流以匹配。

　　因此，充电电压乘以串联连接的电池或电池组的数量，并且类似地，充电电流乘以每个串联连接的组中的并联电池的数量。

图3 LCO型锂电池的典型放电曲线

　　对锂离子电池充电时必须考虑的一个非常重要的附加因素是温度。锂离子电池无法在低温或高温下充电。

　　在低温下，锂离子缓慢移动。这可能会导致锂离子在阳极表面聚集，并最终变成锂金属。由于这种锂金属形成物以树枝状形式存在，因此它可能刺穿隔膜，导致内部短路。

　　在温度范围的高端，问题是过多的热量产生。电池充电效率不是100％，并且在充电过程中会产生热量。如果芯的内部温度过高，则电解质可能会部分解，并变成气态副产物。这导致电池容量的永久减少以及膨胀。

　　锂离子电池的典型充电温度范围是：优质电池为0°C至45°C，廉价电池为8°C至45°C。一些电池还允许在最高约60°C的高温下充电，但充电速率降低。

　　所有这些考虑因素通常都可以通过专用的充电器芯片来满足，因此强烈建议使用此类芯片，而不考虑实际的充电源。

锂离子电池充电器

　　锂离子电池充电器大致可分为两大类：线性充电器和开关充电器。两种类型都可以满足先前规定的有关锂离子电池正确充电的要求。但是，它们各有优缺点。

　　线性充电器的优点是相对简单。但是，它的主要缺点是效率低下。例如，如果电源电压为5V，电池电压为3V，充电电流为1A，则线性充电器的功耗为2W。

　　如果此充电器嵌入产品中，则必须散发大量热量。这就是为什么在最大充电电流约为1A的情况下大多使用线性充电器的原因。

　　对于大电池，首选开关充电器。在某些情况下，它们的效率可高达90％。缺点是其成本较高，并且由于在设计中使用了电感器，因此对电路空间的要求稍大。

充电源注意事项

　　不同的应用程序可能需要不同的充电源。例如，这可以是提供直流输出的直交流适配器，也可以是移动电源。也可以是台式机或类似设备的USB端口。也可能来自太阳能电池板组件。

　　由于不同电源的供电能力，除了简单选择线性或开关式充电器外，还必须进一步考虑实际电池充电器电路的设计。

　　最直接的情况是充电源提供稳定的直流输出，例如交流适配器或移动电源。唯一的要求是选择一个不超过电池最大充电速率或电源传输能力的充电电流。

　　从USB源充电需要更多注意。如果USB端口是USB 2.0类型，则它将遵循USB电池充电标准1.2或BC 1.2。

　　这就要求任何负载（电池充电器）所占用的电流不得超过100mA，除非负载已与电源进行了枚举。在这种情况下，允许在5V时吸收500mA电流。

　　如果USB端口是USB 3.1，则它可以遵循USB BC1.2，或者可以将有源控制器电路并入设计中，以按照USB Power Delivery或USB PD协议协商更多功率。

　　太阳能电池作为充电源提出了另一组挑战。太阳能电池的电压电流或VI有点类似于常规二极管。常规二极管将不会在其最小正向电压值以下传导任何可观的电流，然后可以在正向电压略有增加的情况下通过更大的电流。

　　另一方面，太阳能电池可以在相对平坦的电压下提供电流直到一定的最大值。超过该电流值，电压急剧下降。

　　因此，太阳能充电器必须具有电源管理电路，该电路可调制从太阳能电池汲取的电流，以免导致输出电压过低。

　　幸运的是，有些芯片（例如TI BQ2407x，BQ24295等）可以容纳上述多个源之一。

　　以上就是锂离子电池的充电方法，建议用户使用由锂离子电池厂家配送的原装充电器，切不可多种锂离子电池充电器混充。

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