正确选择锂电池充电系统

在有些应用中，较长的电池寿命、较多的充电次数或较安全的电池比电池容量更重要。本文介绍几种可以极大延长电池寿命的锂离子电池充电和放电方法。

几乎所有高性能便携式产品都会使用包括锂离子聚合物电池在内的可再充电锂离子电池，这是因为与其他可再充电电池相比，锂离子电池有较高的能量密度、较高的电池电压、自放电少、周期寿命非常长，而且环保，且充电和维护简单。另外，由于其具有相对高的电压（2.9V至4.2V），因此很多便携式产品都能用单节电池工作，从而简化了产品总体设计。C速率等于特定条件下的充电或放电电流，定义如下：I=M×Cn

其中：I = 充电或放电电流，单位为A；M = C的倍数或分数；C = 额定容量的数值，单位为Ah；N = 小时数（对应于C）。

以1倍C速率放电的电池将在一个小时内释放标称的额定容量。例如，如果标称容量是1000mAhr,那么1C的放电速率对应于1000mA的放电电流，C/10的速率对应100mA的放电电流。

通常生产商标定的电池容量都是指n=5时，即5小时放电的容量。例如，上述电池在200mA恒流放电时能够提供5小时的工作时间。理论上该电池在1000mA恒流放电时能够提供1小时的工作时间。然而实际上由于大电池放电时效能降低，此时的工作时间将小于1小时。

给锂离子电池充电的推荐方法是，向电池提供一个±1%限压的恒定电流，直到电池充满电，然后停止充电。用来决定电池何时充满电的方法包括：给总的充电时间定时、监视充电电流或兼用这两种方法。第一种方法采用限压恒定电流，变化范围从C/2到1C,持续2.5至3小时，使电池达到100%充电。也可以使用较低的充电电流，但是将需要更长时间。第二种方法与第一种方法类似，只是需要监视充电电流。随着电池的充电，电压上升，这与采用第一种方法时完全相同。电池电压达到编程限压值（也称为浮动电压）时，充电电流开始下降。电流一开始下降时，电池约充电至容量的50%至60%.浮动电压继续提供，直到充电电流降至足够低的水平（C/10至C/20），这时电池约充电至容量的92%至99%,充电周期终止。目前，要为标准锂离子电池快速充电（不到1小时）至容量的100%,还没有一种安全的方法。

有些锂离子电池充电器允许使用热敏电阻监视电池温度。这么做的主要目的是，如果电池温度超出推荐的0℃至40℃窗口范围，就禁止充电。与镍镉或镍氢金属电池不同，锂离子电池在充电时温度上升非常少。图1是一个典型的锂离子电池充电曲线，图中显示了充电电流、电池电压和电池容量随时间的变化。那么怎样才能正确地为锂离子电池充电呢？锂离子电池最适合的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止。参考图1.

阶段1:涓流充电--涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充（恢复性充电）。在电池电压低于3V左右时，先采用最大0.1C的恒定电流对电池进行充电。
阶段2:恒流充电--当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。恒流充电时的电流并不要求十分精确，准恒定电流也可以。在线性充电器设计中，电流经常随着电池电压的上升而上升，以尽量减轻传输晶体管上的 散热问题。大于1C的恒流充电并不会缩短整个充电周期时间，因此这种做法不可取。当以更高电流充电时，由于电极反应的过压以及电池内部阻抗上的电压上升，电池电压会更快速地上升。恒流充电阶段会变短，但由于下面恒压充电阶段的时间会相应增加，因此总的充电周期时间并不会缩短。
阶段3:恒压充电-- 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。为使性能达到最佳，稳压容差应当优于+1%.
阶段4:充电终止--与镍电池不同，并不建议对锂离子电池连续涓流充电。连续涓流充电会导致金属锂出现极板电镀效应。这会使电池不稳定，并且有可能导致突然的自动快速解体。

有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器（或者两者的结合）。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口（通常为0℃至45℃），那么充电会暂停。

1决定锂离子电池周期寿命或服务寿命的因素

不存在任何延长或缩短电池寿命的单一因素，而常常是几种因素合起来发挥作用。就延长周期寿命而言有以下方法可以延长电池寿命：

1).采用部分放电的做法。在再充电前仅使用20%或30%的电池容量会极大延长周期寿命。作为一个一般性的规则，5至10个浅放电周期等于1个满放电周期。尽管部分放电周期可能达到数千次，但是保持电池处于满充电状态也缩短电池寿命。如果可能，应该避免满放电周期（降至2.5V或3V,取决于化学材料）。

2).避免充电至容量的100%.选择一个较低的浮动电压可以做到这一点。降低浮动电压将提高周期寿命和服务寿命，代价是降低电池容量。浮动电压降低100mV至300mV可以将周期寿命延长2至5倍或更长。与其他化学材料相比，锂离子钴化学材料对较高浮动电压更敏感。磷酸锂离子电池一般比更常见的锂离子电池的浮动电压低。

3). 选择合适的充电终止方法。选择一个采用最小充电电流终止（C/10或C/x）的充电器，通过不充电到容量的100%,也可以延长电池寿命。例如，电流降至C/5时结束充电周期与将浮动电压降至4.1V的效果类似。在这两种情况下，电池都只充电至约为容量的85%,这是决定电池寿命的一个重要因素。

4).限制电池温度。限制电池的极限温度可以延长电池寿命，尤其是禁止在0℃以下充电。在0℃以下充电促进金属在电池阳极上的镀敷，这可能造成内部短路，产生热量并使电池不稳定和不安全。很多电池充电器都有测量电池温度的装置，以确保不会在极限温度时充电。

5).避免大的充电和放电电流，因为这会缩短周期寿命。有些化学材料更适合较大电流，如锂离子锰和磷酸锂离子电池。大电流给电池施加了过大的压力。

6).避免低于2V或2.5V的深度放电，因为这会迅速永久性损坏锂离子电池。可能发生内部金属镀敷，这会引起短路，使电池不可用或不安全。大多数锂离子电池在电池组内部都有电子电路，如果充电或放电时电池电压低于2.5V、超过4.3V或如果电池电流超过预定门限值，该电子电路就会断开电池连接。

2 锂离子充电--系统注意事项

要快速可靠地完成充电过程需要一个高性能的充电系统。为实现可靠且经济高效的解决方案，设计时应当考虑到以下系统参数：

2.1 输入源
许多应用都采用极廉价的墙式适配器作为输入电源。其输出电压主要依赖于交流输入电压和从墙式适配器流出的负载电流。

在美国标准的墙面插座上交流母线输入电压的变化范围一般为90VRMS至132VRMS.假设额定输入电压为120VRMS,容差为+10%, ?25%.充电器必须为电池提供适当的稳压措施，从而不受输入电压的影响。充电器的输入电压与交流母线电压和充电电流成比例：