由于高能量/功率密度，相對于鋰離子（Li+）電池技術的重量和體積，在電池充電和放電時存在一些揮之不去的安全問題。雖然Li+電池已經是一項成熟的技術，但對Li+電池操作的改進仍在進行中。本應用筆記介紹了其中的一些改進。它還介紹了各種充電控制方案，以確保使用恒流恒壓（CCCV）方法對電池進行正確充電。幾種充電電路說明了單節和多節Li+充電器的方法。

介紹

納米技術的最新突破提高了鋰離子（Li+）電池的功率密度和充電/放電速率。這些新功能支持需要高功率密度和高充電/放電速率的應用。當然，這些要求是對便攜式娛樂和便攜式計算應用中使用的傳統電池容量的補充。大功率電池非常適合用于電動工具和其他電機驅動應用;它們具有Li+優勢和鎳鎘能力，并且對環境的影響很小（大多數類型有資格在常規垃圾流中處置）。

隨著技術使集中能量設備（高能量密度）能夠快速交付（高放電率和高功率密度），安全問題出現了。作為參考點，典型的Li+ 4芯2安培小時（Ah）電池組存儲的能量水平約為100kJ，而手榴彈（150g TNT）具有600kJ。如果以不受控制的方式釋放如此多的能量，人身傷害和/或財產損失的可能性是顯而易見的。

電池安全有幾個方面。最重要的是防止人身傷害或財產損失。還需要保護電池供電的設備。電池本身必須受到保護，因為它是系統中相當昂貴的部分，如果出現故障，可能會很麻煩或難以更換。Li+電池的機械，電氣和化學設計和制造是一項成熟的技術，其安全問題已得到理解。在最近Li+電池故障成為世界媒體頭條的案例中，化學成分的污染似乎是故障的根本原因。

由于一些安全問題，電池供應商不會向消費者甚至大多數原始設備制造商（電池組制造商除外）出售單節Li+電池。相反，電池供應商提供多節電池組作為OEM或消費產品。這些電池組將Li+電池與復雜的保護電子設備集成在一起。不建議在沒有電池組式保護的情況下串聯或并聯組合為單個隨機選擇的電池充電。

市售Li+電池的特性

表1和表2總結了可用于大眾消費應用的Li+電池系列的重要特性。每個表中的第一個電池類型是18650間隙碳陰極，鋰鈷混合氧化物陽極，凝膠電解質電池（直徑18mm，長65mm），是便攜式電子應用中最受歡迎的類型之一。該裝置由索尼制造，此處用作代表性參考，以與下面的較新類型進行比較。18650 電池的預期循環壽命至少為 500 次充電/放電循環。當新的時，它保留了標稱值的80%的容量（20%的容量衰減）。電池容量在0.5Ah和2Ah之間。?

最大充電和放電速率由相對于電池容量的最大充電和放電電流定義，以 C 單位表示。使用術語“速率”是因為電流是電荷對時間的導數。使用速率代替直電流值允許在比較不同電池技術或同一技術的不同電池尺寸時按容量縮放規格。例如，承受1C放電速率的電池名義上將在一小時內從充滿電到耗盡。

超過Li+電池的溫度限制會導致電池的電荷保持能力（容量）嚴重損失（衰減）。淡入淡出將隨著電池超出其指定溫度范圍的時間而增加。如果在這些條件下放電或充電，電池將受到更大的不利影響。

嚴重超過充電/放電速率將導致電池組中的電子串聯保護電路打開，由過電流（短期，高電流）或過熱傳感器（長期）觸發。其中一些安全措施可能會不可逆轉地禁用電池。不太嚴重的濫用會降低電池性能和預期壽命。

最大充電電壓是Li+電池的充電過程必須從恒流（CC）切換到恒壓（CV）的嚴格容差電壓點。該規格與溫度無關。最終充電對該電壓的微小變化非常敏感，如圖1所示。超過充電電壓限制會對電池的充電保持能力產生不可逆轉的不利影響。這兩個因素的結合對充電電壓限制施加了嚴格的容差。

圖1.索尼US18650G4 Li+電池的電池充電特性顯示了電池如何隨時間充電以及從恒流充電模式到恒壓充電模式的切換。資料來源：索尼公司

對于索尼類型的現代Li+電池（其他類型的電池見表1和表2），如果允許端子之間的電壓達到4.45V，電池壽命就會受到影響。

充電電壓限制（便攜式電子電池類型為 4.2V）是電池在全新電池時以標稱容量的 100% 充電時充電的值。如果在充電過程中，CC-CV切換發生在低于標稱充電電壓限值的電壓下，則充電電流將出現早期下降，而不是遵循圖1中的曲線。最終存儲的電荷將遠低于標稱容量的 100%。

違反截止放電最低電壓規格會產生不同的后果。如果允許電池放電低于該值，則會在容器內產生化學失衡。如果此時電池的電化學狀態受到干擾（即嘗試最大速率充電），則可能會觸發突然的異常化學反應，從而殺死電池，完全失去充電保持能力。圍繞Li+電池作為電源開發的所有系統都必須包括防止過放電的UVLO（欠壓鎖定）開關，以及防止深度放電電池大電流充電的電路。

Li+電池充電方式

除了專門用于極小容量（幾mAh）Li+電池的電壓源/電阻方法外，CCCV（恒流，恒壓）是唯一普遍接受的Li+充電方法。將等于或低于最大充電速率的恒定電流施加到正在充電的電池上，直到達到最大充電電壓。此時，充電器工作模式轉為恒壓輸出，在滿足充電終止標準之前，電池端子上保持恒定電壓輸出。

有時與其他電池技術（如NiCd）一起使用的復雜脈沖充電方案都不會減少完全充電時間，增加電池壽命或Li+的庫侖效率。在大多數情況下，這些收費計劃會產生有害影響。涓流充電，即迫使充電后長期小電流通過電池以使其保持在完全充電狀態的做法是不必要的，對于Li+電池也是不明智的。

圖 1 中的圖表還顯示了表 1 和表 2 中所述類型的索尼電池中充電過程中電流、電壓和存儲容量的行為。請注意從 CC 到 CV 的切換，以及電池在每個階段獲取的電荷比例。

正常充電終止發生在電池充滿電時。確定完全充電的一個流行標準認為，當達到最大充電電壓（從而將充電模式更改為CV）時，并且當充電電流的下降值（發生在更改為CV之后）低于電池最大充電速率的某個部分（通常為1/30至1/10）時，Li+電池充滿電。另一種終止方法使用超時，在充電器處于恒壓模式兩個小時后停止充電。有時也不會使用終止操作。在后一種技術中，電池無限期地以恒壓模式連接到充電器;它被稱為“浮動”，因為如果經過的時間足夠長，則沒有電流循環。存在一些與長期浮動相關的容量衰減，但在第一個充電周期中是可逆的。

當充電過程中任何電池參數超出可接受范圍時，充電器或電池組保護方案可以執行充電過程的“異常終止”。此外，如果在預編程的時間段內未發生任何預期的狀態轉換（CC→CV或CV→終止），高端充電器將通過超時終止充電。

Li+電池充電器實現

Li+電池充電器有多種類型和技術，具體取決于特定電池類型的特性，電池組中的電池數量，可用能源的類型以及應用的性質。在所有情況下，充電器都是CCCV電源，僅在一個象限中運行（充電器在任何情況下都不得從電池吸收電流，有源或無源等），具有高精度（優于±1%）CV輸出。

充電器電源的效率決定了其尺寸（體積和電路板表面），而能源則影響電源拓撲。不同電源技術（開關、線性）之間的決策可以考慮散熱、尺寸、EMI 約束等需求。關鍵組件是充電控制器，在所有情況下都是集成電路，至少包括CCCV電源，精密基準和狀態機。

更復雜的充電器包括多種功能。示例包括：“電池鑒定”，其中檢測到短路、開路、截止不足或正常狀態;感應電池溫度;“預認證”功能，其中向電池施加小電流，直到超過無充電電壓水平;以及充電器所有狀態的超時。

設計示例

在這一點上，值得一看的是Li+充電器的一些實用設計示例，從非常簡單的低功耗單元到具有更多樣化功能的更完整的類型。所選擇的例子是“獨立”的。無需單獨的智能或主機控制來管理充電。

這些示例的共同特征是前面描述的CCCV充電算法，具有相同的精確CV部分，定義最大充電電壓，并對所有充電CC進行中等精度控制。由于芯片供應商保證CV精度，因此不需要外部高成本精密元件。在所有情況下，CC和CV功能都通過整個輸入電壓范圍進行調節。

示例之間的差異包括：

電效率（所選IC中使用的技術和拓撲定義它）

充電器可以設置處理的電池范圍（數量）

在CC功能中可以設置器件的最大電流

保護和自動化功能的數量和類型

輸入電壓范圍

這些充電器的電池數量和最大電流是設計變量，但在生產中是硬連線的。

線性充電器的物理尺寸更大，因為它們的效率較低會產生更多的熱量，因此需要散熱器來傳遞來自穩壓器芯片的熱量。但是，電路比基于開關技術的充電器更簡單。盡管如此，開關模式充電器確實提供了更高的轉換效率，并且體積更小，因為它們散發的熱量更少。

基于MAX1508的簡單線性充電系統只需要幾個額外的元件（圖2）。它可以提供高達0.5A的電流來為單節電池充電。自適應電源/溫度電路允許其使用寬范圍的輸入電壓和電源工作。對于多節電池充電，單開關“開關”型穩壓器MAX1873可以處理4至10節電池，提供3A至<>A電流（圖<>）。該電路還提供為電池充電的電流的模擬電壓讀數。

圖2.MAX1508為獨立的恒流恒壓（CCCV）、熱穩壓線性充電器，用于單節鋰離子（Li+）電池。

圖3.MAX1873為簡單的開關模式Li+充電器，集成輸入限流環路。

基于MAX1737的充電器提供更多的系統功能，可以從4節到1737節Li+電池充電（圖1737）。電源核心是高頻電源，使充電器尺寸非常小。MAX<>使用兩個外部電源開關（高邊電源開關和同步整流器）來提高效率，從而進一步減少產生的熱量。該器件可以監控電池溫度，具有所有功能的可調超時，并可以驅動提供循環點指示（完全充電、快速充電、故障）的 LED。MAX<>的輸出電流能力主要由所用外部開關的類型和外部電源決定。該控制器可以支持高C速率，即使對于更高的電池容量也是如此。

圖4.MAX1737為開關模式Li+電池充電器，可為0至8節電池充電。它提供穩定的充電電流和穩定的電壓，電池端子的總電壓誤差僅為 ±<>.<>%。

審核編輯：郭婷