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一文搞懂锂电池

1. 锂离子电池介绍

锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,充电时,Li 从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。

锂离子电池电压范围2.8V~4.2V,典型电压3.7V,低于2.8V或者高于4.2V,电池都会有损坏风险。

2. 1C和0.1C的概念

电池容量的单位是mAh,C指的是电池充放电的倍率,比如一个2000mAh的电池,以1C放电指的是放电电流大小为2000mA,0.1C为200mA,充电也是同样的道理。


3. 锂离子电池的优缺点

锂离子电池的主要优点:

  • 锂离子电池电压高,能量密度高;

  • 循环寿命长,一般可循环500,甚至达到1000次以上;

  • 自放电小,室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右;

  • 可快速充电,1C充电时容量可以达到标称的80%;

  • 工作温度范围宽,一般为-25~45°C,后面有望突破-40-70°C;

  • 没有Ni-Cd、Ni-Mh一样的记忆效应,在充电前不必将剩余电量用完;

  • 相比较Ni-Cd、Ni-Mh来说环保无污染(不含镉,汞等重金属);

锂离子电池的主要缺点:

  • 成本高;

  • 需要加保护电路板,包括过充和过放保护;

  • 不能大电流放电,一般放电电流在0.5C以下,过大的电流导致电池内部发热;

  • 安全性差,容易爆炸、起火。

4. 锂电池和锂离子电池的区别

锂电池和锂离子电池是两个不同的概念,主要有如下的区别:

  • 锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂;

  • 锂离子电池是以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子;

  • 锂电池也称一次锂电池,可以连续放电,也可以间歇放电,一旦电能耗尽便不能再用,不能进行充电;

  • 锂离子电池也称二次锂电池,可以充放电;

5. 锂离子电池充电模式

锂离子电池理想充电模式被称为CC CV模式,即恒流 恒压模式。

如下的图形中,灰色为电池电压,绿色为充电电流,红色为电池容量。

在电池电压低时,电池以固定的恒定电流进行充电,当电池电压达到4.2V时,会由恒流模式切换到恒压模式,因为电池的电压不容许超过4.2V,所以系统会逐渐减小充电电流,直到接近于0;当电池电压为4.2V,且充电电流为0,代表电池已充满电。

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锂离子电池CC CV模式

为了保证电池的绝对安全,实际的充电模式会更细化,对于不确定的电池上来就按照恒流进行充电,会给电池造成更大的损坏。

  • 测试模式,当电池电压低于2V时,会以很小的电流,对电池进行唤醒;

  • 涓流充电,也叫预充模式,当电池电压处于2V~3V之间时,会以恒流充电的1/10或者1/20电流大小进行预充;

  • 恒流充电,当电池电压升至3V以上时,会以恒流模式对电池快速充电;

  • 恒压充电,当电池电压达到4.2V时,会以恒压模式对电池进行充电;

像TI的方案,在电池电压为4.2V,充电电流较低但不为0,约为恒流充电电流的1/10时,停止充电,这时候电池电压会降低到4.16V或者4.17V;

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锂离子电池充电的三个阶段

6. 为什么锂离子电池充电截止电压是4.2V

下图是电池的循环寿命和充电截止电压的关系图,在电池最初的周期中,充电到略高的电压会得到更高的单周期电量,但只会存在一小段时间。当电池的充电电压比推荐的4.2V最高电压还要高50mV或100mV时,由于每个周期都会略微过度充电,因此电池的老化速度会大大加快。

总结一句话就是:电池的充电截止电压高于4.2V,电压越高,循环寿命越短,且电池容量下降越快。

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锂离子电池循环寿命和充电截止电压的关系

7. 锂离子电池放电曲线

如下是锂离子电池在不同放电电流下的放电曲线,可以看出:放电电流越大,电池的容量下降越快,容量越低,电池的标称容量使用越不充分。

电池容量越低时,电池的内阻相应会增加较多,比较大的电流进行放电时,内阻增长的比较快。

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锂离子电池不同放电电流下的放电曲线

从不同温度下的电池放电曲线可以看出:温度越低,电池容量下降越快,放电越不充分。

电池的温度在0度以下,内部活性成分很弱,内阻会相应的变大;过高的温度对电池也有损坏。

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锂离子电池不同温度下的放电曲线

8. 锂离子电池循环次数

在实际中,每当累积的放电容量等于设计容量时,则记为循环一次。

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锂离子电池循环寿命

国标规定锂离子电池的循环寿命测试条件及要求:在25度室温条件下以1C充电150分钟,以恒流1C的放电电流放到2.75V截止为一次循环。当有一次放电时间小于36分钟时试验结束,循环次数必须大于300次。

  • 这个定义规定了循环寿命的测试是以深充深放方式进行的;

  • 规定了循环寿命按照这个模式执行后必须超过300次以后容量仍然有60%以上;

9. 锂离子电池工作电压范围

锂离子电池的工作电压有一个范围,不同电芯厂家制造会有所不同,但是差别不大。

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锂离子电池电压范围

10.锂电池保护板组成

一般的锂电池保护板由控制IC、MOS管、电阻电容、保险丝FUSE等组成,如下图所示。

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常见的锂电池保护板电路图

TH为温度检测,内部是一个10K NTC接到电池负极;ID是电池在位检测,一般是47K/10K电阻接到电阻负极,有的是0R电阻;TH和ID均是选配,并不是所有锂电池都有的。

接着根据上面这么电路,来看一下如下几种保护的工作原理吧!

11.过充保护

电池充电时,电流(方向如箭头所示)从电池包的正极流入,经过FUSE后从负极流出,最下方的两个MOS管均是导通状态。

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电池充电时电流方向如箭头所示

充电时,控制IC X1会时刻监测第5脚VDD和第6脚VSS之间的电压,当这个电压大于等于过充截止电压且满足过充电压的延时时间时,X1会通过控制第3脚来关闭MOS管Q2,Q2被关闭之后,充电回路被切断(Q2的体二极管D2也是反向截止的),这个时候,电池只能放电。

过充保护解除条件(满足其一即可):

1,电芯两端的电压下降到保护IC的过充恢复电压。

2,在电池包得输出端加负载放电,放电到电压小于过充保护电压。

12.过放保护

在电池包两端加负载放电时,电流(方向如箭头所示)与充电是相反的,如下图所示。

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电池放电时电流方向如箭头所示

放电时,控制IC X1同样会时刻监测第5脚VDD和第6脚VSS之间的电压,当这个电压小于等于过放截止电压且达到过放电压的延时时间,控制IC X1会通过第1脚关闭Q1,Q1被关闭之后,放电回路被切断(Q1的体二极管D1是反向截止),这个时候,电池只能充电。

过放保护解除条件:拿掉负载,给电池包充电,当VM-VDD之间的电压达到过放恢复电压值时,控制IC X1会重新打开MOS管Q1。

13.过流保护/短路保护

过流保护指的是过放电流的保护,一般的控制IC有过流保护和短路保护两种,控制IC时刻监测VSS-VM之间的电压值,当电压值达到过流保护或者短路保护的阈值且满足延时时间,控制IC会将MOS管Q1关闭,切断放电回路。

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电池放电时电流方向如箭头所示

过电流保护解除的条件是:将输出端负载拿掉,控制IC会自动将Q1重新打开。

过流保护的电压值一般是0.1~0.2V,短路保护检测的电压值一般是0.9V~2V,这两个值都与控制IC有关系,不同的IC,这两个值不一样。

短路保护电压值指的是电流流经Q1和Q2上的导通压降,即可以得出,如果MOS管的导通内阻越大,保护电流值就越小。如:内阻为20mΩ的MOS管,选用的过电流值为0.15V的控制IC,那过流保护的电流应为:0.15V/(0.02*2)=3.75A。

14.控制IC失效之后的FUSE保护

有的保护板里面会加上保险丝,在控制IC失效之后,起到一个二级保护作用,避免更坏的结果,当然也会增加成本。



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