本文將探討鋰電池安全性、充電電池設(shè)計、安全監(jiān)控，以及充電系統(tǒng)安全性等主要系統(tǒng)設(shè)計考量。

　　電池充電器IC角色關(guān)鍵

　　圖1顯示一般的電池充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸入可以是交流電(AC)墻式轉(zhuǎn)接器供應(yīng)的直流電(DC)電源，或通用序列匯流排(USB)介面供應(yīng)的DC電源。一般的電池充電系統(tǒng)包括充電前端(CFE)、電池充電器及電池組。CFE防護積體電路(IC)整合輸入過壓、過流及電池過壓等防護機制，能夠提高電池供電系統(tǒng)的安全性。電池充電器IC可調(diào)節(jié)電池充電電壓及電流，并監(jiān)控電池溫度，以延長電池使用壽命，并提高安全性。了解鋰電池特性，對于設(shè)計更安全的充電系統(tǒng)而言相當(dāng)重要。

?

　　圖1 一般的電池充電系統(tǒng)

　　鋰電池安全性不可忽視

　　由于鋰電池采用活性極高的材料，因此必須注意運作溫度過高會加速電池衰減，導(dǎo)致熱失控，甚至使鋰電池爆裂的問題。如果電池在高電流下過度充電或發(fā)生短路，就會出現(xiàn)快速升溫的現(xiàn)象。

　　鋰電池過度充電時，活性金屬鋰就會沉積在正極上，這種材料會大幅提高火災(zāi)發(fā)生機率，因為只要接觸電解液和負(fù)極材料就會爆裂。例如，鋰/碳嵌入化合物遇水會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的高溫可點燃釋放的氫氣。

　　對于4.3伏特(V)電池電壓而言，氧化鋰鈷(LiCoO2)等負(fù)極材料在溫度超過熱失控臨界值175℃時，就會與電解液發(fā)生反應(yīng)(圖2)。鋰電池采用聚烯烴(Polyolefin)等多微孔薄膜(Micro-porous Film)將正負(fù)電極加以電隔離。這些電極可達(dá)到絕佳的機械屬性與化學(xué)穩(wěn)定性，且價格合理。聚烯烴的熔點較低，介于135～165℃之間，可作為溫度保險絲。隨著溫度接近聚合物的熔點，便不再具有滲透性(Porosity)，在鋰離子不再于電極之間流動時關(guān)閉電池。

?

　　圖2 電池?zé)崾Э?/p>

　　此外，正向溫度系數(shù)(PTC)裝置和安全出口(Vent)能提供額外防護，一般而言，負(fù)極終端外殼通常采用鍍鎳鋼鐵。外殼封閉后，金屬粒子會污染電池內(nèi)部。這些粒子會隨著時間進(jìn)入分離器，導(dǎo)致電池正負(fù)極兩側(cè)之間的絕緣層衰減，這會造成正負(fù)極之間的微小短路，使電子自由流動，最終導(dǎo)致電池故障。這種故障通常只會導(dǎo)致電池電量耗盡，無法正常運作。在極罕見情況下，電池會出現(xiàn)過熱、融化、起火甚至爆裂等現(xiàn)象。

　　安全電池充電器設(shè)計三部曲

?

　　圖3顯示常用的鋰電池充電配置，鋰電池充電包括三個階段，首先是預(yù)先充電，接著是快速充電穩(wěn)定電流(CC)，最后是穩(wěn)定電壓(CV)。在預(yù)先充電中，電池以低速率充電。電池電壓低于3.0伏特時，充電速率通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態(tài)下，長期沉積后可能溶解，便可逐漸恢復(fù)。此外，過度放電的陽極短路電池上出現(xiàn)部分銅分解時，預(yù)先充電可防止在1℃充電速率(可在1個小時內(nèi)使電池完全放電的電流)下出現(xiàn)過熱狀況。

　　圖3 鋰電池充電配置

　　預(yù)先充電安全計時器，可避免電量耗盡的電池長時間充電。一般而言，電池電壓達(dá)到3.0伏特，充電器就會進(jìn)入CC階段。快速充電電流通常限定在0.5～1℃之間，以避免過熱導(dǎo)致電池加速衰減。速率必須慎選，確保電池溫度不超過45℃，以快速充電速率進(jìn)行電池充電，直至電壓達(dá)到調(diào)節(jié)限度(對于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特)為止。充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并進(jìn)入CV階段，此時充電電流會等比下降至預(yù)先定義的終止程度，結(jié)束電池充電。

　　對于電池使用壽命及安全性而言，電池充電電壓的準(zhǔn)確性相當(dāng)重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量，但是會縮短電池使用壽命，如圖4所示。對于±2.5%容差的電池充電電壓而言，充電電壓可能會達(dá)到4.3伏特，這會導(dǎo)致熱失控及安全性問題。為避免電池高溫充電，并提高安全性，充電器IC必須監(jiān)控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全范圍內(nèi)(0～45℃)時，電池才能充電，電池組通常會利用電熱調(diào)節(jié)器讓溫度達(dá)到安全范圍。此外，通常須要快速充電安全計時器，避免電量耗盡的電池長時間充電。一旦經(jīng)過安全時間，即便電池未達(dá)到充電終止電流狀態(tài)，電池充電器也必須結(jié)束充電。

?

　　圖4 LiCoO2陰極鋰電池的充電電壓與使用壽命之間的關(guān)系

　　使用高度整合式線性電池充電器為單顆鋰電池充電相當(dāng)普遍，因為這類充電器符合可攜式裝置的設(shè)計簡化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設(shè)計難題，在于使電池充電器維持在安全溫度運作范圍內(nèi)，同時盡可能降低產(chǎn)生的熱量。最新開發(fā)的電池充電器具備散熱調(diào)節(jié)功能，能夠達(dá)到最高的充電速率，并且盡可能縮短充電時間，同時解決散熱問題。