锂离子电池充电指南-充电曲线及安全

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锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个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

 

理论上的充电曲线:

锂电池理论充电曲线

理想的 CCCV(横流恒压)锂电池充电曲线图:

红线: 充电电量蓝线:充电电流

灰线:电压

当电池电压低于3.5V时,采用固定电流充电,直到电压达到4.2V左右(CC)

电压到4.2V,这时保证电压恒定的情况继续充电,电流逐渐下降

电流下降到最小值,充电一段时间,确认电池充满电,停止充电

充电器充电曲线实现

锂电池充电-快充曲线

1.预充电阶段(激活CCCV充电):

1.         充电器启动及短路/开路判断(不同的充电电路有不同的方法)

   一种以串联很小的电流(1MA),负载,检查电池电压是否稳定,如果电池电压在有效范围内波动,则启动充电流程, 如果电池电压不稳定,则判断是否为开路或短路(根据电压或电池温度电阻来判断)

2.         预充电

   当电池过放电时,电压小于2V 左右,电池电压过低,充电器通过很小的电流给电池充电,一般电池为恒流充电电流的0.1倍或更小,通过一段时间判断电池电压是否变化,如电池电压不变化表示,电池已坏或处于短路状态(电压为0),充电器停止充电。此过程

   另外短路充电阶段,电池电压逐步少,此时充电器适当输出充电电流,直到单节电池电压达到3.0V,大约 10% 的完全充电电流进行短时间预调节充电。这样可以防止电池过热,造成电池寿命或安全事故等.

3.         快速充电阶段(恒流CC

当电池电压大于3V左右,此时根据电池容量,通常以 0.5 C 或更低的恒定电流对电池

充电直到电池电压达到 4.1 V 4.2 V(取决于具体电化学情况)。

 

4.         恒压充电(CV)

当电池电压达到 4.1V 4.2 V 时,充电器切换到“恒压”阶段以杜绝过度充电。出色的电池充电器可以平稳地管理从恒流到恒压的转换,以确保达到最大容量,而不会产生损坏电池的风险。保持恒压会逐渐降低电流,直到达到约 0.1 C,此时充电终止。如果充电器与电池保持连接,则会定期充满电以抵消电池自放电。通常在电池的开路电压降至 3.9 V 4 V 以下时启动满充充电,并在再次达到 4.1 V 4.2 V 的满充电压时终止充电。

 

CCCCV充电阶段图

5.         过充介绍

过度充电会严重降低电池寿命并具有潜在的危险性。一旦离子不再移动,施加到电池的大部分电能就会转换成热能。这样会造成过热,有可能由于电解质脱气而导致爆炸。因此,电池制造商倡导采用精确控制和适当的充电器安全功能

电池安全知识:

1.         过充对电池的影响:

 

锂电池充电电压对容量的影响

来自TI的充电电压和寿命图

l  充电电压越高,初始容量越大

l  电压越高,寿命越短

 

2.         工作时间/温度影响:

锂电池过温危害

上图可以看出

l  时间越久,容量下降更快

l  工作温度越高,容量下降越快

 

3.         电池内阻:

锂电池内阻对寿命的影响

l  100次充放电周期后的容量变化空载容量减少小于1%

l  100次充放周期后,内阻增加1

l  双阻抗可将运行时间减少7

 

4.         充电器不足的影响

充电不足虽然不危险,但也可能对电池容量产生不利影响。例如,1% 的充电不足就会使电池容量减少约 8%

锂电池充电不足对寿命的影响

不到百分之一的充电不足可以使锂离子电池容量显著降低。因此,务必要精确测量充电期间的最终电压。

 

由于这些原因,充电器应将最终电压控制在 4.1 V 4.2 V ±50 mV 范围内,并能够检测电池何时充满电。检测方法包括确定在恒定电压阶段期间电流何时降至 0.1 C。对于更基本的充电器,则仅充电预定的时间并假定电池完全充满。许多充电器还包括用于测定电池温度的装置,以便在超过阈值时可以停止充电。

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