浅谈锂离子电池的充放电特性

Li-ion----锂离子电池的充放电特性

引言：随着锂离子电池的大规模使用，从消费电子延伸到现在如火如荼的新能源汽车，无论外在体系怎么变，还是锂电池化学组分向前改善，锂离子电池的本质并没有发生实质的变化，其充放电特性也遵从相似的阶梯曲线。本节主要介绍锂离子电池的充放电特性，作为Power系列重要的基础认知。

1.锂电池的特性

锂离子电池是能量密度最高的电池之一，其单节电池提供的电压更高，承受的电流也更大，而且在电池满电时无需涓流充电。但是锂离子电池没有记忆效应，这意味着它不会“记住”在电量完全耗尽之前剩余的电量，所以锂离子电池必须采用特殊的恒流恒压 (CC-CV) 充电曲线进行充电，充电曲线可根据电池温度和电压水平自动调整。

2.锂电池的充电阶段

阶段1（涓流充电）-->Trickle Charge

如果电池电压低于VBATT_TC（涓充转预充电压阈值）（2V/cell），IC将以100mA（可调整）的涓流充电电流对电池充电。涓流充电阶段通常只在电池电压低于一个极低水平（约2.1V）时采用。在这种状态下，电池组的内部保护IC可能由于深度放电或发生过流事件已经断开了电池。充电器 IC 提供一个小电流（通常为 50mA）为电池组的电容充电，以触发保护 IC ，合上其MOSFET重新连接电池。虽然涓流充电通常只持续几秒钟，但充电IC仍然需要集成一个定时器。如果电池组在一定时间内未重新连接，表明电池已损坏，定时器停止充电。

阶段2（预充电）-->Pre-Charge

一旦电池组重新连接或处于放电状态，就进入预充电阶段。预充电期间，充电器IC开始以一个较低的电流水平为耗尽的电池安全充电，该电流通常为C/10（C为容量，以mAh为单位）。预充电使电池电压缓慢上升，其目的是在低电流水平下对电池进行安全的充电，以防止损坏电池，直到其电压达到一个较高的水平。

阶段3（恒流充电）-->CC

恒流（CC）充电也被称作快速充电阶段，恒流充电在预充电之后开始，一旦电池电压达到每节3V（可调整）左右即开始恒流充电。在恒流充电阶段，电池可以安全地输出0.5C至3C之间的较高充电电流。恒流充电会持续到电池电压达到“满电”或浮动电压水平，然后进入恒压充电阶段。

阶段4（恒压充电）-->CV

锂电池的恒压（CV）阈值通常为每节4.1V至4.5V。充电IC会在恒流充电期间监测电池电压。一旦电池达到恒压充电阈值，充电器IC就会从恒流转换至恒压调节阶段。当充电器IC监测到外部电池组电压超过了电池组中的实际电池电压，就开始执行恒压充电。这是由于存在内部电池电阻、PCB电阻和来自保护板PCM上MOSFET和单电池的等效串联电阻 (ESR)。充电IC不允许电池电压超过其最大浮动电压，以保证充电系统安全的运行。

阶段5 充电截止--->Stop

当恒压充电阶段，当流入电池的电流降至设定阈值（约为C/10）以下时，充电器IC即终止充电周期。此时电池被认为已充满电，充电完成。如果充电器IC的充电截止功能被禁用，充电电流会自然衰减至0mA，但实际中很少这样做。因为在恒压充电期间，进入电池的电荷量呈指数级下降（因为电池电压的增大就如同一个大电容器），在容量增加极少的情况下，为电池充电需要非常长的时间。

图3-1：典型的充电阶段图

3.锂电池的C率

C就是Capacity，容量的简称，电池的“C率”指定了电池充放电的最大电流。标准C率通常在0.5C到3C之间，具体取决于所用的具体电池，通常需要在较高C率和较低能量密度之间进行权衡。例如一块3000mAh的电池，C率为1C，意味着电池能够以最大3A的电流充电。通常，电池制造商还会为C率指定不同的电压和温度范围，在电压较低或温度较高/较低的条件下，C率会降低。

如果一块电池具有较高的C率，我们称它为高倍率电池，那它就可以释放更大的电流，也可以更快地充电。例如相比无线扬声器，较高C率的电池对智能手机和笔记本电脑等便携式设备来说更加有用，因为这些便携式设备可能需要每天至少充电一次。通常对运行时间较短且需要持续使用的设备来说，快充肯定是首选。了解电池的C率可以帮助设计人员确定充电电流，如何优化其充电曲线解决方案，使我们能够选择最适合其电池的充电器IC拓扑结构和安全功能。

4.锂电池容量的计算

对于mAh（毫安时）的计量单位，锂电池容量C的计算方法遵从以下公式：

其中I为电池恒流放电电流，T为持续时长。例如5000mAh的电池，即意味着该电池可以以5A（1C）的放电电流持续放电1h，或者2.5A（0.5C）的放电电流持续放电2h，以此来衡量电池容量的大小。

对于使用Wh（瓦时）的能量计量单位，按照定义，电能以1V的电压和每秒1A的电流释放所输出的功率即为1W：

如果已知电池的标称电压和标称容量Ah（安时），则可以计算得到额定能量容量值：
 

比如笔记本电脑电池额定容量为7410mAh，额定工作电压为7.6V，那么其总额定能量值为7.41Ah×7.6V=56.3Wh。

区别：从上面的计算可以看出mAh计量单位更多的是电池放电能力的一种体现，只是因为现在智能手机锂电池都是使用4.2V电压体系，当大家的额定电压都相同的情况下，只以mAh来衡量容量没有什么问题。但在笔记本电池中，额定电压并不相同，电池串并数量也不同，只以mAh来计量容量是错误的，需要结合额定工作电压，计算出Wh来得到其真正的容量。例如7410mAh的笔记本电池和4200mAh的电池，它们的瓦时数为笔记本电池：7.41Ah×7.6V=56.3Wh；手机电池：4.2Ah×4.2V=17.64Wh，实际笔记本电池相当于3~4枚手机电池。