整合式CFE防护提高充电系统层级安全性

本文将探讨锂电池安全性、充电电池设计、安全监控，以及充电系统安全性等主要系统设计考量。

　　电池充电器IC角色关键

　　图1显示一般的电池充电系统，该系统输入可以是交流电(AC)墙式转接器供应的直流电(DC)电源，或通用序列汇流排(USB)介面供应的DC电源。一般的电池充电系统包括充电前端(CFE)、电池充电器及电池组。CFE防护积体电路(IC)整合输入过压、过流及电池过压等防护机制，能够提高电池供电系统的安全性。电池充电器IC可调节电池充电电压及电流，并监控电池温度，以延长电池使用寿命，并提高安全性。了解锂电池特性，对于设计更安全的充电系统而言相当重要。

　　图1 一般的电池充电系统

　　锂电池安全性不可忽视

　　由于锂电池采用活性极高的材料，因此必须注意运作温度过高会加速电池衰减，导致热失控，甚至使锂电池爆裂的问题。如果电池在高电流下过度充电或发生短路，就会出现快速升温的现象。

　　锂电池过度充电时，活性金属锂就会沉积在正极上，这种材料会大幅提高火灾发生机率，因为只要接触电解液和负极材料就会爆裂。例如，锂/碳嵌入化合物遇水会发生化学反应，而反应产生的高温可点燃释放的氢气。

　　对于4.3伏特(V)电池电压而言，氧化锂钴(LiCoO2)等负极材料在温度超过热失控临界值175℃时，就会与电解液发生反应(图2)。锂电池采用聚烯烃(Polyolefin)等多微孔薄膜(Micro-porous Film)将正负电极加以电隔离。这些电极可达到绝佳的机械属性与化学稳定性，且价格合理。聚烯烃的熔点较低，介于135～165℃之间，可作为温度保险丝。随着温度接近聚合物的熔点，便不再具有渗透性(Porosity)，在锂离子不再于电极之间流动时关闭电池。

　　图2 电池热失控

　　此外，正向温度系数(PTC)装置和安全出口(Vent)能提供额外防护，一般而言，负极终端外壳通常采用镀镍钢铁。外壳封闭后，金属粒子会污染电池内部。这些粒子会随着时间进入分离器，导致电池正负极两侧之间的绝缘层衰减，这会造成正负极之间的微小短路，使电子自由流动，最终导致电池故障。这种故障通常只会导致电池电量耗尽，无法正常运作。在极罕见情况下，电池会出现过热、融化、起火甚至爆裂等现象。

　　安全电池充电器设计三部曲

　　图3显示常用的锂电池充电配置，锂电池充电包括三个阶段，首先是预先充电，接着是快速充电稳定电流(CC)，最后是稳定电压(CV)。在预先充电中，电池以低速率充电。电池电压低于3.0伏特时，充电速率通常是快速充电速率的十分之一。钝化层在深度放电状态下，长期沉积后可能溶解，便可逐渐恢复。此外，过度放电的阳极短路电池上出现部分铜分解时，预先充电可防止在1℃充电速率(可在1个小时内使电池完全放电的电流)下出现过热状况。

　　图3 锂电池充电配置

　　预先充电安全计时器，可避免电量耗尽的电池长时间充电。一般而言，电池电压达到3.0伏特，充电器就会进入CC阶段。快速充电电流通常限定在0.5～1℃之间，以避免过热导致电池加速衰减。速率必须慎选，确保电池温度不超过45℃，以快速充电速率进行电池充电，直至电压达到调节限度(对于LiCoO2的阴极通常是每颗电池4.2伏特)为止。充电器开始调节电池电压并进入CV阶段，此时充电电流会等比下降至预先定义的终止程度，结束电池充电。

　　对于电池使用寿命及安全性而言，电池充电电压的准确性相当重要。更高的电池充电电压可提高充电容量，但是会缩短电池使用寿命，如图4所示。对于±2.5%容差的电池充电电压而言，充电电压可能会达到4.3伏特，这会导致热失控及安全性问题。为避免电池高温充电，并提高安全性，充电器IC必须监控电池组的温度。只有在电池温度维持在安全范围内(0～45℃)时，电池才能充电，电池组通常会利用电热调节器让温度达到安全范围。此外，通常须要快速充电安全计时器，避免电量耗尽的电池长时间充电。一旦经过安全时间，即便电池未达到充电终止电流状态，电池充电器也必须结束充电。

　　图4 LiCoO2阴极锂电池的充电电压与使用寿命之间的关系

　　使用高度整合式线性电池充电器为单颗锂电池充电相当普遍，因为这类充电器符合可携式装置的设计简化、低成本及小体积尺寸等需求。其中的设计难题，在于使电池充电器维持在安全温度运作范围内，同时尽可能降低产生的热量。最新开发的电池充电器具备散热调节功能，能够达到最高的充电速率，并且尽可能缩短充电时间，同时解决散热问题。

　　线性充电器只是将转接器的DC电压调降至电池电压的程度。线性充电器的功耗计算如下：

充电器从预先充电转换为快速充电模式，且达最高功耗时，输入电压与电池电压间的差异便相当大。例如，若使用5