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Li聚合物电池

这几天项目中碰到很多不能充电的问题,于是对Li电池的充电特性进行了一些研究。

关于电池

对于电池,有三种关键特性:

  • Energy Density (Size & Weight)
  • Charge/Discharge Cycles (Life Cycle)
  • Capacity (Operational duration without AC Adapter presence)

每种电池对应的特性如下图:

这里我们主要看最后一种"Li-lon",它的工作电压为3.6V,开路电压为4.2V,截至电压为2.8V,充电电压为4.2V。这其中3.6V为正常使用时的电池电压(使用过程中是变化的),4.2V是电池充电的电压,2.8V为电池过放保护时的电压,也就是电池低于2.8V时不要继续放电,防止对电池的二次损害。

它们的一些物理特性如下图:

着重Li-lon讲,自放电速率为:6~10%/month,内阻:50~500mΩ,充放电循环次数:1000,放电最高速率:2C(库伦,例如电池容量为50mAH,100mA的放电便是2C),工作温度:-20℃~60℃。

电池充放电

下图是18650锂电池的放电曲线: 绝大部分的锂电池的放电曲线与上图一样,一开始从4.2V下降到4.0V很快,然后趋于平稳、线性,最后从3.5V下降到2.9V也很快。这样电池的容量就不能简单的用线性方程式来计算,而要分区段的处理,并且事先要对真实的电池进行放电测试,或者电池厂家提供测试报告。
电池放电的各个阶段定义如下: 结合以上两图可以很清楚的了解到电池电压对应的位置。 可见,锂电池的使用要保持在2.8V~4.2V之间,高于或者低于都会对电池的寿命产生影响。

实际中,对于锂电池的充电采用的是 CC/CV 方式,即恒流/恒压。充电的具体过程是:

  1. 涓流充电(Trickle Charge):在电池<=2.8V时,电池处于深度未激活状态或者低电压状态,此时要使用小电流进行恒流充电激活,使电池电压上升到2.8V以上,此时的充电电流最大为0.1C。(有些也称为预充电,pre-charge)
  2. 恒流充电(Constant Current):电池激活后,电流迅速上升到1.0C,电池电压上升很快,直到4.2V左右.推荐最大充电电流为1C(有些称为快速充电,fast charge)
  3. 恒压充电(Constant Valtage):电池电压接近4.2V时,保持充电电压不变,充电电流逐步减小,直到0.1C以下,到0.07C时充电截至。

有些在充电截止后,会一直处于涓流充电状态下,直到电池电量满。或者当电池电压降低时进行再充电,以保持电池电量满。

典型的充电曲线如下图:

问题1:品次

由于我们最开始拿到的样品是“MCP73831”(丝印KDRB)的芯片,使用到最后却发现,其表现的是MCP73832的特性,因为MCP7382的CHARGE STATE引脚不带内部上拉,而MCP73831是有内部上拉的,且上拉电压为供电电压(VDD)。结果在后期的试产过程中全部买的是正版的MCP73831。

因为一直以为是不带上拉的,为了提供可靠性,加了3.3V的上拉。结果最终的芯片却是带内部上拉的,导致不充电时,3.3V电压经过上拉电阻流入供电脚,造成了主控芯片的误判断。

问题2:预充电

预充电是0.1C,我们使用的电池大多是不到100mAH的小电池,使用的最大充电电流为100mA,结果预充电的电流最大也就10mA。
10mA的供电带载能力太差,当电池过放保护、电量过低时,如果边充电边带载,则可能导致电池电压降低到芯片的最低工作电压,造成芯片复位、工作异常。
为此,必须设计一个充电电路使供电电源同时给整个系统供电,而不是电池单独供电,同时要求主控在上电时不要带载,而是进入低功耗模式,当电池电量上升到合适的位置时正常工作。

Reference

1.Selecting the Right Battery System For Cost-Sensitive
Portable Applications While Maintaining Excellent Quality
AN1088
2.Power Management in Portable Applications: Charging
Lithium-Ion/Lithium-Polymer Batteries
AN947
3.MCP73831/2


CC BY-SA 3.0
------------------------------------Writen by yokay------------------------------------