盡管鋰離子 (Li-ion) 電池存在一個(gè)缺點(diǎn)，即設(shè)計(jì)人員必須限制充電速率以避免損壞電池和造成危險(xiǎn)，但這種電池的優(yōu)勢(shì)鞏固了其作為便攜式電子產(chǎn)品主要電源的地位。幸運(yùn)的是，如今的鋰離子電池更加耐用，并可使用“快速充電”技術(shù)更快地進(jìn)行充電。

本文將詳細(xì)介紹鋰離子電池的發(fā)展、電化學(xué)的最佳充電周期以及一些快速充電電路。本文還將解釋加速充電的缺點(diǎn)，使工程師能夠在下次設(shè)計(jì)充電器時(shí)做出明智的選擇。

鋰離子 (Li-ion) 電池背后的概念很簡(jiǎn)單，但仍然歷經(jīng)了四十多年的努力并投入大量研究資金，才開(kāi)發(fā)出為當(dāng)今大多數(shù)便攜式產(chǎn)品可靠供電的技術(shù)。

最早的電池很脆弱，在充電期間容易過(guò)熱，但是經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，這些缺點(diǎn)已被克服。盡管如此，為確保達(dá)到滿電量，同時(shí)避免因過(guò)度充電而帶來(lái)相關(guān)的永久性損壞風(fēng)險(xiǎn)，充電時(shí)仍然需要按照精確的方案來(lái)限制充電電流。好消息是，材料科學(xué)和電化學(xué)的最新發(fā)展提高了電池離子的遷移率。遷移率越高，充電電流越大，并能加快充電周期“恒流”部分的充電速度 。

得益于這些發(fā)展，配備最新一代鋰離子電池的智能手機(jī)能夠在 20 到 30 分鐘內(nèi)從約 20% 的電量充電至 70%。電池能快充至四分之三電量，這一技術(shù)吸引了時(shí)間有限的消費(fèi)者，為支持安全快速充電的充電器開(kāi)辟了一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域。為應(yīng)對(duì)此趨勢(shì)，芯片供應(yīng)商為設(shè)計(jì)人員提供了促進(jìn)各種充電速率的 IC，以便加快鋰離子電池的充電速率。雖然實(shí)現(xiàn)了更快的充電速率，但始終需要進(jìn)行權(quán)衡。

便攜式電源增強(qiáng)

鋰離子電池基于插層化合物。這種材料具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，可讓鋰離子從層遷移或駐留在層間。在鋰離子電池放電期間，離子從負(fù)電極通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)到正電極，使電子在電路中沿相反方向移動(dòng)，從而為負(fù)載供電。一旦負(fù)電極中的離子耗盡，電流就會(huì)停止流動(dòng)。給電池充電會(huì)迫使離子在電解質(zhì)中移回并將其自身嵌入負(fù)電極中，為下一個(gè)放電循環(huán)做好準(zhǔn)備（圖 1）。

圖 1：在鋰離子電池中，鋰離子從一個(gè)插層化合物移動(dòng)到另一個(gè)插層化合物，而電子在電路中流動(dòng)，從而為負(fù)載供電。（圖片來(lái)源：Digi-Key）

如今的電池使用基于鋰的插層化合物，例如正電極采用鋰鈷氧化物 (LiCoO2)，由于比高反應(yīng)性純鋰穩(wěn)定得多，因此也更安全。負(fù)電極則采用石墨（碳）。

雖然這些材料令人滿意，但并不完美。每次離子移動(dòng)時(shí)，一些離子會(huì)與電極發(fā)生反應(yīng)，變成材料的固有部分，從而失去電化學(xué)反應(yīng)能力。因此，隨著自由離子的供應(yīng)逐漸耗盡，電池壽命也在縮短。更糟糕的是，每個(gè)充電循環(huán)都會(huì)導(dǎo)致電極的體積膨脹。這會(huì)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)施加應(yīng)力，并導(dǎo)致微觀損傷，從而降低電極容納自由離子的能力。而這樣就會(huì)限制充電周期的次數(shù)。

一直以來(lái)，解決這些不足之處都是近期鋰離子電池研究的重點(diǎn)，其主要目標(biāo)是將更多鋰離子填充到電極中以增加能量密度（定義為每單位體積或重量的能量）。這使得離子更容易移入和移出電極，而且也能輕松通過(guò)電解質(zhì)（即，增強(qiáng)離子遷移率）。

充電時(shí)間（針對(duì)給定電流條件）最終取決于電池的容量。例如，當(dāng)使用 500 mA 電流進(jìn)行充電時(shí)，3300 mAhr 智能手機(jī)電池的充電時(shí)間約為 1600 mAhr 電池的兩倍?？紤]到這一點(diǎn)，工程師用“C”來(lái)定義充電速率，其中 1 C 等于電池可供電一小時(shí)的最大電流。例如，對(duì)于 2000 mAhr 的電池，C = 2 A。相同的方法適用于充電。將 1 A 的充電電流施加到 2000 mAhr 電池相當(dāng)于 0.5 C 的速率。

那么，得出的結(jié)論似乎就是，增加充電電流將會(huì)減少充電時(shí)間。確實(shí)如此，但只是在某種程度上是。首先，離子的遷移率有限，因此如果充電電流的增加量超過(guò)某個(gè)閾值，并不會(huì)使離子移動(dòng)得更快。相反，能量實(shí)際上會(huì)以熱量的形式消散，造成電池內(nèi)部溫度升高，并產(chǎn)生永久性損壞的風(fēng)險(xiǎn)。其次，在高電流下，不受限制的充電做法最終會(huì)導(dǎo)致大量離子嵌入負(fù)電極中，令電極解體并損壞電池。

最近的發(fā)展顯著改善了最新鋰離子電池的離子遷移率，允許使用更高的充電電流，同時(shí)內(nèi)部溫度不會(huì)危險(xiǎn)地升高。但即使在最現(xiàn)代的產(chǎn)品中，仍存在過(guò)度充電的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫@是電池物理結(jié)構(gòu)的直接結(jié)果。因此，鋰離子電池制造商規(guī)定了嚴(yán)格的充電方案，幫助保護(hù)產(chǎn)品免受損壞。

小心處理

鋰離子電池充電采用了一種旨在確保安全性和長(zhǎng)壽命且不影響性能的充電曲線（圖 2）。如果鋰離子電池深度放電（例如，低于 3 V），則用大約 10% 的完全充電電流進(jìn)行短時(shí)間“預(yù)調(diào)節(jié)”充電。這樣可以防止電池過(guò)熱，直到電池能夠接受恒流階段的全電流。實(shí)際上很少需要這個(gè)階段，因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)代移動(dòng)裝置都設(shè)計(jì)為在仍有一些電量時(shí)關(guān)閉，深度放電（如過(guò)度充電）會(huì)損壞電池。

圖 2：使用恒流法的鋰離子充電曲線到電池電壓達(dá) 4.1 V 時(shí)結(jié)束，然后使用恒壓技術(shù)“充滿”。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

然后，通常以 0.5 C 或更低的恒定電流對(duì)電池充電，直到電池電壓達(dá)到 4.1 V 或 4.2 V（取決于具體電化學(xué)情況）。當(dāng)電池電壓達(dá)到 4.1 V 或 4.2 V 時(shí)，充電器切換到“恒壓”階段以杜絕過(guò)度充電。出色的電池充電器可以平穩(wěn)地管理從恒流到恒壓的轉(zhuǎn)換，以確保達(dá)到最大容量，而不會(huì)產(chǎn)生損壞電池的風(fēng)險(xiǎn)。

保持恒壓會(huì)逐漸降低電流，直到達(dá)到約 0.1 C，此時(shí)充電終止。如果充電器與電池保持連接，則會(huì)定期“充滿”電以抵消電池自放電。通常在電池的開(kāi)路電壓降至 3.9 V 至 4 V 以下時(shí)啟動(dòng)滿充充電，并在再次達(dá)到 4.1 V 至 4.2 V 的滿充電壓時(shí)終止充電。

如上所述，過(guò)度充電會(huì)嚴(yán)重降低電池壽命并具有潛在的危險(xiǎn)性。一旦離子不再移動(dòng)，施加到電池的大部分電能就會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能。這樣會(huì)造成過(guò)熱，有可能由于電解質(zhì)脫氣而導(dǎo)致爆炸。因此，電池制造商倡導(dǎo)采用精確控制和適當(dāng)?shù)某潆娖靼踩δ堋?/p>

充電不足雖然不危險(xiǎn)，但也可能對(duì)電池容量產(chǎn)生不利影響。例如，1% 的充電不足就會(huì)使電池容量減少約 8%（圖 3）。

圖 3：不到百分之一的充電不足可以使鋰離子電池容量顯著降低。因此，務(wù)必要精確測(cè)量充電期間的最終電壓。

由于這些原因，充電器應(yīng)將最終電壓控制在 4.1 V 或 4.2 V 的 ±50 mV 范圍內(nèi)，并能夠檢測(cè)電池何時(shí)充滿電。檢測(cè)方法包括確定在恒定電壓階段期間電流何時(shí)降至 0.1 C。對(duì)于更基本的充電器，則僅充電預(yù)定的時(shí)間并假定電池完全充滿。許多充電器還包括用于測(cè)定電池溫度的裝置，以便在超過(guò)閾值時(shí)可以停止充電。[1]

加速充電

由于最新一代電池具有更高的離子遷移率，因此可以實(shí)現(xiàn)更快的充電速率而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)。截止目前，芯片制造商已為鋰離子電池管理提供了廣泛的集成解決方案，以簡(jiǎn)化充電器的設(shè)計(jì)。現(xiàn)在，他們還提供硅器件，讓工程師設(shè)計(jì)在恒流階段更快速充電的產(chǎn)品。（請(qǐng)注意，鋰離子電池不存在行業(yè)認(rèn)可的“快速或快充”定義。而是與“典型的”0.5 C 充電速率相比，該術(shù)語(yǔ)定性地適用于任何加速充電的充電方案。）

例如，Maxim Integrated 提供的 MAX8900，是一款基于開(kāi)關(guān)模式降壓電源的充電器。該器件可用 3.6 V 至 6.3 V 電壓提供高達(dá) 1.2 A 的電流，同時(shí)允許設(shè)計(jì)人員使用外部元器件調(diào)整充電參數(shù)。

例如，一旦電池電壓超過(guò)預(yù)調(diào)節(jié)電壓且未達(dá)到 4.2 V 時(shí)，設(shè)計(jì)人員就可以讓電池實(shí)現(xiàn)恒流快速充電。最大快速充電電流由 SETI 引腳和接地之間的電阻器決定（參見(jiàn)圖 4）。

圖 4：對(duì)于Maxim Integrated 的 MAX8900提供的鋰離子電池充電功能，其恒流階段的充電電流可以使用此應(yīng)用電路底部中心所示的 RSETI 電阻進(jìn)行設(shè)置。（根據(jù) Maxim Integrated 提供的原圖用 Digi-Key Scheme-it 繪制的示意圖）

例如，對(duì)于 RSETI = 2.87 kΩ，快速充電電流為 1.186 A，對(duì)于 RSETI = 34 kΩ，電流為 0.1 A。圖 5 說(shuō)明充電電流如何隨 RSETI 而變化。Maxim 為 MAX8900A 提供了一個(gè)方便的開(kāi)發(fā)套件，允許設(shè)計(jì)人員試驗(yàn)元器件值，進(jìn)而探索其如何影響恒流充電速率，以及充電周期其他部分的充電速率。

圖 5：在 MAX8900 提供的鋰離子電池充電恒流階段中，充電電流隨 RSETI 電阻值的變化。

MAX8900 內(nèi)置了一些保護(hù)措施，可確?？焖俪潆姇r(shí)電池溫度不會(huì)危險(xiǎn)地升高。這些都符合日本電子設(shè)備和信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì) (JEITA) 關(guān)于鋰離子電池安全充電的規(guī)范。對(duì)于溫度介于 0? 和 15?C 之間的鋰離子電池，快速充電電流限制在編程速率的 50%，如果電池溫度升至 60?C 以上，電流將被切斷，直到溫度降到安全水平。芯片本身受熱折返保護(hù)，如果內(nèi)部溫度超過(guò) 85?C，則將充電電流限制在最高水平的 25%。

Maxim 并不是唯一一家為設(shè)計(jì)人員提供快速充電器件選擇的公司。NXP Semiconductors 的 MC32BC3770 開(kāi)關(guān)模式電池充電器能夠?qū)Τ潆姺桨高M(jìn)行控制，除了設(shè)置快速充電電流外，不僅可以讓設(shè)計(jì)人員通過(guò) I2C 接口設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，還可以設(shè)置充電終止電流、電池調(diào)節(jié)電壓、預(yù)充電電流、快速充電電壓閾值和減少充電閾值電壓。

快速充電電流本身可進(jìn)行編程，范圍為 100 mA 至 2000 mA，默認(rèn)設(shè)置為 500 mA。為安全起見(jiàn)，快速充電電流始終受限于輸入限流設(shè)置。MC32BC3770 可以在高達(dá) 20 V 的輸入下工作，并具有 USB 單輸入和雙路輸出，可在電池完全放電時(shí)為設(shè)備供電。

Fairchild Semiconductor 的 FAN5400 還允許設(shè)計(jì)人員通過(guò) I2C 接口對(duì)芯片的充電速率和工作模式進(jìn)行編程。該產(chǎn)品是一款兼容 USB 的電池充電器，基于開(kāi)關(guān)電源，輸入電壓為 6 V（最大值），提供最高 1.25 A 的充電電流。

FAN5400 旨在最大限度地縮短充電時(shí)間，同時(shí)滿足 USB 兼容性要求。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò) I2C 主機(jī)選擇最大充電電流和在恒壓階段終止充電的電流閾值。安全功能包括一個(gè)定時(shí)器，如果充電周期超過(guò)預(yù)設(shè)持續(xù)時(shí)間，則切斷電源，如果芯片溫度超過(guò) 120?C，則限制充電電流。

就其本身而言，Texas Instruments 提供了 bq25898，這是一個(gè)支持高輸入電壓快速充電的開(kāi)關(guān)模式電池充電管理器件。該產(chǎn)品可接受高達(dá) 12 V 的輸入，并可產(chǎn)生高達(dá) 4 A 的輸出，適用于為最新一代智能手機(jī)和平板電腦中的大容量電池進(jìn)行充電。

與 NXP Semiconductors 和 Fairchild 的解決方案類似，bq25898 通過(guò) I2C 串行接口進(jìn)行配置，允許設(shè)計(jì)人員設(shè)置充電電流和最低系統(tǒng)電壓。安全功能包括電池溫度監(jiān)控、充電定時(shí)器和過(guò)壓保護(hù)。

快速充電權(quán)衡

設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意對(duì)快速充電進(jìn)行權(quán)衡：充電越快，電池切換到充電方案中相對(duì)較慢的恒壓部分時(shí)的容量越低。例如，當(dāng)以 0.7 C 速率充電時(shí)，會(huì)造成充到 50% 至 70% 的容量時(shí)電壓就達(dá)到 4.1 V 或 4.2 V，而以低于 0.2 C 充電時(shí)，可在電壓一達(dá)到 4.1 V 或 4.2 V 即將電池充滿。換言之，如果消費(fèi)者需要從 25% 的電量快速充電到 50%，快速充電是理想的，但如果消費(fèi)者習(xí)慣插入后完全充電，則通常會(huì)以 0.5 C 的適度充電速率而非 1 C 或更高的快速充電速率進(jìn)行快速充電，因?yàn)楹笳唠S后需要較長(zhǎng)、相對(duì)較慢的時(shí)間才能“充滿”。

另一個(gè)權(quán)衡因素是快速充電產(chǎn)生的內(nèi)部溫度升高，因?yàn)榧词股吆蟮臏囟鹊陀谔囟ㄤ囯x子電池制造商規(guī)定的“安全”閾值，仍可能會(huì)造成輕微損壞，最終導(dǎo)致容量降低和充電次數(shù)減少。也就是說(shuō)，隨著電池技術(shù)改進(jìn)增加了電池耐用性，有必要將快速充電速率提高至極限，以便將電池的壽命降低到低于便攜式產(chǎn)品“有用”存在的水平（定義為消費(fèi)者購(gòu)買產(chǎn)品和更換為較新型號(hào)之間的時(shí)間）。

總結(jié)

雖然實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)一些新型電池技術(shù)，但鋰離子電池在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍將是便攜式產(chǎn)品的主要能量存儲(chǔ)介質(zhì)。因此，該技術(shù)將會(huì)繼續(xù)迅猛發(fā)展，不斷克服相關(guān)缺點(diǎn)。離子遷移率是缺點(diǎn)之一，即便是最新一代電池也可以繼續(xù)改善——因此可以不斷實(shí)現(xiàn)更快速度的恒流充電。

設(shè)計(jì)人員可選擇電池管理芯片來(lái)充分利用較快速充電的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)借助一個(gè)或兩個(gè)外部元器件或通過(guò) I2C 接口進(jìn)行編程，靈活地選擇充電速率。此外，還需要考慮電池管理裝置內(nèi)置的安全功能，因?yàn)楸M管現(xiàn)代鋰離子電池比之前的型號(hào)更加耐用，但對(duì)于快速充電，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)仍然需要考慮一些潛在危險(xiǎn)。