锂电池充电方法指南

尽管锂离子 (Li-ion) 电池存在一个缺点，即设计人员必须限制充电速率以避免损坏电池和造成危险，但这种电池的优势巩固了其作为便携式电子产品主要电源的地位。幸运的是，如今的锂离子电池更加耐用，并可使用“快速充电”技术更快地进行充电。

本文将详细介绍锂离子电池的发展、电化学的最佳充电周期以及一些快速充电电路。本文还将解释加速充电的缺点，使工程师能够在下次设计充电器时做出明智的选择。

锂离子 (Li-ion) 电池背后的概念很简单，但仍然历经了四十多年的努力并投入大量研究资金，才开发出为当今大多数便携式产品可靠供电的技术。

最早的电池很脆弱，在充电期间容易过热，但是经过不断发展，这些缺点已被克服。尽管如此，为确保达到满电量，同时避免因过度充电而带来相关的永久性损坏风险，充电时仍然需要按照精确的方案来限制充电电流。好消息是，材料科学和电化学的最新发展提高了电池离子的迁移率。迁移率越高，充电电流越大，并能加快充电周期“恒流”部分的充电速度 。

得益于这些发展，配备最新一代锂离子电池的智能手机能够在 20 到 30 分钟内从约 20% 的电量充电至 70%。电池能快充至四分之三电量，这一技术吸引了时间有限的消费者，为支持安全快速充电的充电器开辟了一个市场领域。为应对此趋势，芯片供应商为设计人员提供了促进各种充电速率的 IC，以便加快锂离子电池的充电速率。虽然实现了更快的充电速率，但始终需要进行权衡。

便携式电源增强

锂离子电池基于插层化合物。这种材料具有层状晶体结构，可让锂离子从层迁移或驻留在层间。在锂离子电池放电期间，离子从负电极通过电解质移动到正电极，使电子在电路中沿相反方向移动，从而为负载供电。一旦负电极中的离子耗尽，电流就会停止流动。给电池充电会迫使离子在电解质中移回并将其自身嵌入负电极中，为下一个放电循环做好准备（图 1）。

图 1：在锂离子电池中，锂离子从一个插层化合物移动到另一个插层化合物，而电子在电路中流动，从而为负载供电。（图片来源：DigiKey）

如今的电池使用基于锂的插层化合物，例如正电极采用锂钴氧化物 (LiCoO₂)，由于比高反应性纯锂稳定得多，因此也更安全。负电极则采用石墨（碳）。

虽然这些材料令人满意，但并不完美。每次离子移动时，一些离子会与电极发生反应，变成材料的固有部分，从而失去电化学反应能力。因此，随着自由离子的供应逐渐耗尽，电池寿命也在缩短。更糟糕的是，每个充电循环都会导致电极的体积膨胀。这会对晶体结构施加应力，并导致微观损伤，从而降低电极容纳自由离子的能力。而这样就会限制充电周期的次数。

一直以来，解决这些不足之处都是近期锂离子电池研究的重点，其主要目标是将更多锂离子填充到电极中以增加能量密度（定义为每单位体积或重量的能量）。这使得离子更容易移入和移出电极，而且也能轻松通过电解质（即，增强离子迁移率）。

充电时间（针对给定电流条件）最终取决于电池的容量。例如，当使用 500 mA 电流进行充电时，3300 mAhr 智能手机电池的充电时间约为 1600 mAhr 电池的两倍。考虑到这一点，工程师用“C”来定义充电速率，其中 1 C 等于电池可供电一小时的最大电流。例如，对于 2000 mAhr 的电池，C = 2 A。相同的方法适用于充电。将 1 A 的充电电流施加到 2000 mAhr 电池相当于 0.5 C 的速率。

那么，得出的结论似乎就是，增加充电电流将会减少充电时间。确实如此，但只是在某种程度上是。首先，离子的迁移率有限，因此如果充电电流的增加量超过某个阈值，并不会使离子移动得更快。相反，能量实际上会以热量的形式消散，造成电池内部温度升高，并产生永久性损坏的风险。其次，在高电流下，不受限制的充电做法最终会导致大量离子嵌入负电极中，令电极解体并损坏电池。

最近的发展显著改善了最新锂离子电池的离子迁移率，允许使用更高的充电电流，同时内部温度不会危险地升高。但即使在最现代的产品中，仍存在过度充电的风险，因为这是电池物理结构的直接结果。因此，锂离子电池制造商规定了严格的充电方案，帮助保护产品免受损坏。<e>

小心处理

锂离子电池充电采用了一种旨在确保安全性和长寿命且不影响性能的充电曲线（图 2）。如果锂离子电池深度放电（例如，低于 3 V），则用大约 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，直到电池能够接受恒流阶段的全电流。实际上很少需要这个阶段，因为大多数现代移动装置都设计为在仍有一些电量时关闭，深度放电（如过度充电）会损坏电池。

图 2：使用恒流法的锂离子充电曲线到电池电压达 4.1 V 时结束，然后使用恒压技术“充满”。（图片来源：Texas Instruments）

然后，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 或 4.2 V（取决于具体电化学情况）。当电池电压达到 4.1 V 或 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 至 4 V 以下时启动满充充电，并在再次达到 4.1 V 至 4.2 V 的满充电压时终止充电。

如上所述，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。

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%（图 3）。

图 3：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 或 4.2 V 的 ±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。^[1]

加速充电

由于最新一代电池具有更高的离子迁移率，因此可以实现更快的充电速率而不会出现过热风险。截止目前，芯片制造商已为锂离子电池管理提供了广泛的集成解决方案，以简化充电器的设计。现在，他们还提供硅器件，让工程师设计在恒流阶段更快速充电的产品。（请注意，锂离子电池不存在行业认可的“快速或快充”定义。而是与“典型的”0.5 C 充电速率相比，该术语定性地适用于任何加速充电的充电方案。）<e>

例如，Maxim Integrated 提供的 MAX8900，是一款基于开关模式降压电源的充电器。该器件可用 3.6 V 至 6.3 V 电压提供高达 1.2 A 的电流，同时允许设计人员使用外部元器件调整充电参数。

例如，一旦电池电压超过预调节电压且未达到 4.2 V 时，设计人员就可以让电池实现恒流快速充电。最大快速充电电流由 SETI 引脚和接地之间的电阻器决定（参见图 4）。

图 4：对于 Maxim Integrated  的 MAX8900 提供的锂离子电池充电功能，其恒流阶段的充电电流可以使用此应用电路底部中心所示的 R_SETI 电阻进行设置。（根据 Maxim Integrated 提供的原图用 DigiKey Scheme-it 绘制的示意图）

例如，对于 R_SETI = 2.87 kΩ，快速充电电流为 1.186 A，对于 R_SETI = 34 kΩ，电流为 0.1 A。图 5 说明充电电流如何随 R_SETI 而变化。Maxim 为 MAX8900A 提供了一个方便的开发套件，允许设计人员试验元器件值，进而探索其如何影响恒流充电速率，以及充电周期其他部分的充电速率。

图 5：在 MAX8900 提供的锂离子电池充电恒流阶段中，充电电流随 R_SETI 电阻值的变化。

MAX8900 内置了一些保护措施，可确保快速充电时电池温度不会危险地升高。这些都符合日本电子设备和信息技术工业协会 (JEITA) 关于锂离子电池安全充电的规范。对于温度介于 0˚ 和 15˚C 之间的锂离子电池，快速充电电流限制在编程速率的 50%，如果电池温度升至 60˚C 以上，电流将被切断，直到温度降到安全水平。芯片本身受热折返保护，如果内部温度超过 85˚C，则将充电电流限制在最高水平的 25%。

Maxim 并不是唯一一家为设计人员提供快速充电器件选择的公司。NXP Semiconductors 的 MC32BC3770 开关模式电池充电器能够对充电方案进行控制，除了设置快速充电电流外，不仅可以让设计人员通过 I²C 接口设置运行参数，还可以设置充电终止电流、电池调节电压、预充电电流、快速充电电压阈值和减少充电阈值电压。

快速充电电流本身可进行编程，范围为 100 mA 至 2000 mA，默认设置为 500 mA。为安全起见，快速充电电流始终受限于输入限流设置。MC32BC3770 可以在高达 20 V 的输入下工作，并具有 USB 单输入和双路输出，可在电池完全放电时为设备供电。

Fairchild Semiconductor 的 FAN5400 还允许设计人员通过 I²C 接口对芯片的充电速率和工作模式进行编程。该产品是一款兼容 USB 的电池充电器，基于开关电源，输入电压为 6 V（最大值），提供最高 1.25 A 的充电电流。

FAN5400 旨在最大限度地缩短充电时间，同时满足 USB 兼容性要求。设计人员可以通过 I²C 主机选择最大充电电流和在恒压阶段终止充电的电流阈值。安全功能包括一个定时器，如果充电周期超过预设持续时间，则切断电源，如果芯片温度超过 120˚C，则限制充电电流。

就其本身而言，Texas Instruments 提供了 bq25898，这是一个支持高输入电压快速充电的开关模式电池充电管理器件。该产品可接受高达 12 V 的输入，并可产生高达 4 A 的输出，适用于为最新一代智能手机和平板电脑中的大容量电池进行充电。

与 NXP Semiconductors 和 Fairchild 的解决方案类似，bq25898 通过 I²C 串行接口进行配置，允许设计人员设置充电电流和最低系统电压。安全功能包括电池温度监控、充电定时器和过压保护。

快速充电权衡

设计人员应注意对快速充电进行权衡：充电越快，电池切换到充电方案中相对较慢的恒压部分时的容量越低。例如，当以 0.7 C 速率充电时，会造成充到 50% 至 70% 的容量时电压就达到 4.1 V 或 4.2 V，而以低于 0.2 C 充电时，可在电压一达到 4.1 V 或 4.2 V 即将电池充满。换言之，如果消费者需要从 25% 的电量快速充电到 50%，快速充电是理想的，但如果消费者习惯插入后完全充电，则通常会以 0.5 C 的适度充电速率而非 1 C 或更高的快速充电速率进行快速充电，因为后者随后需要较长、相对较慢的时间才能“充满”。

另一个权衡因素是快速充电产生的内部温度升高，因为即使升高后的温度低于特定锂离子电池制造商规定的“安全”阈值，仍可能会造成轻微损坏，最终导致容量降低和充电次数减少。也就是说，随着电池技术改进增加了电池耐用性，有必要将快速充电速率提高至极限，以便将电池的寿命降低到低于便携式产品“有用”存在的水平（定义为消费者购买产品和更换为较新型号之间的时间）。

总结

虽然实验室正在开发一些新型电池技术，但锂离子电池在未来一段时间内仍将是便携式产品的主要能量存储介质。因此，该技术将会继续迅猛发展，不断克服相关缺点。离子迁移率是缺点之一，即便是最新一代电池也可以继续改善——因此可以不断实现更快速度的恒流充电。

设计人员可选择电池管理芯片来充分利用较快速充电的优点，通过借助一个或两个外部元器件或通过 I²C 接口进行编程，灵活地选择充电速率。此外，还需要考虑电池管理装置内置的安全功能，因为尽管现代锂离子电池比之前的型号更加耐用，但对于快速充电，设计人员在设计时仍然需要考虑一些潜在危险。

参考文献：

1.“Developing Affordable Mixed-Signal Power Systems for Battery Charger Applications,” Terry Cleveland, Scott Dearborn, Microchip Technology Inc.