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延长锂离子电池寿命的充电和放电方法
发布日期:2012-11-1  来源:中华电池网  阅读次数:3978  【  】 【打印
  人们一直非常重视提高锂离子电池的容量,以期以物理尺寸最小的电池实现最长的产品工作时间。但是在有些应用中,较长的电池寿命、较多的充电次数或较安全的电池比电池容量更重要。本文介绍几种可以极大延长电池寿命的锂离子电池充电和放电方法。

  几乎所有高性能便携式产品都会使用包括锂离子聚合物电池在内的可再充电锂离子电池,这是因为与其他可再充电电池相比,锂离子电池有较高的能量密度、较高的电池电压、自放电少、周期寿命非常长,而且环保,且充电和维护简单。另外,由于其具有相对高的电压(2.9V至4.2V),因此很多便携式产品都能用单节电池工作,从而简化了产品总体设计。

  决定锂离子电池周期寿命或服务寿命的因素

  不存在任何延长或缩短电池寿命的单一因素,而常常是几种因素合起来发挥作用。就延长周期寿命而言有以下方法可以延长电池寿命:

  1.采用部分放电的做法。在再充电前仅使用20%或30%的电池容量会极大延长周期寿命。作为一个一般性的规则,5至10个浅放电周期等于1个满放电周期。尽管部分放电周期可能达到数千次,但是保持电池处于满充电状态也缩短电池寿命。如果可能,应该避免满放电周期(降至2.5V或3V,取决于化学材料)。

  2.避免充电至容量的100%。选择一个较低的浮动电压可以做到这一点。降低浮动电压将提高周期寿命和服务寿命,代价是降低电池容量。浮动电压降低100mV至300mV可以将周期寿命延长2至5倍或更长。与其他化学材料相比,锂离子钴化学材料对较高浮动电压更敏感。磷酸锂离子电池一般比更常见的锂离子电池的浮动电压低。

  3. 选择合适的充电终止方法。选择一个采用最小充电电流终止(C/10或C/x)的充电器,通过不充电到容量的100%,也可以延长电池寿命。例如,电流降至C/5时结束充电周期与将浮动电压降至4.1V的效果类似。在这两种情况下,电池都只充电至约为容量的85%,这是决定电池寿命的一个重要因素。

  4.限制电池温度。限制电池的极限温度可以延长电池寿命,尤其是禁止在0℃以下充电。在0℃以下充电促进金属在电池阳极上的镀敷,这可能造成内部短路,产生热量并使电池不稳定和不安全。很多电池充电器都有测量电池温度的装置,以确保不会在极限温度时充电。

  5.避免大的充电和放电电流,因为这会缩短周期寿命。有些化学材料更适合较大电流,如锂离子锰和磷酸锂离子电池。大电流给电池施加了过大的压力。

  6.避免低于2V或2.5V的深度放电,因为这会迅速永久性损坏锂离子电池。可能发生内部金属镀敷,这会引起短路,使电池不可用或不安全。大多数锂离子电池在电池组内部都有电子电路,如果充电或放电时电池电压低于2.5V、超过4.3V或如果电池电流超过预定门限值,该电子电路就会断开电池连接。

  锂离子电池充电方法

  给锂离子电池充电的推荐方法是,向电池提供一个±1%限压的恒定电流,直到电池充满电,然后停止充电。用来决定电池何时充满电的方法包括:给总的充电时间定时、监视充电电流或兼用这两种方法。第一种方法采用限压恒定电流,变化范围从C/2到1C,持续2.5至3小时,使电池达到100%充电。也可以使用较低的充电电流,但是将需要更长时间。第二种方法与第一种方法类似,只是需要监视充电电流。随着电池的充电,电压上升,这与采用第一种方法时完全相同。电池电压达到编程限压值(也称为浮动电压)时,充电电流开始下降。电流一开始下降时,电池约充电至容量的50%至60%。浮动电压继续提供,直到充电电流降至足够低的水平(C/10至C/20),这时电池约充电至容量的92%至99%,充电周期终止。目前,要为标准锂离子电池快速充电(不到1小时)至容量的100%,还没有一种安全的方法。

  不推荐在电池充满电后仍然给电池加上连续电压,因为这会加速永久性容量损失,而且可能引起内部锂金属镀敷。这种镀敷可能发展成内部短路通路,引起过热,使电池受热时不稳定。所需时间是几个月。

  有些锂离子电池充电器允许使用热敏电阻监视电池温度。这么做的主要目的是,如果电池温度超出推荐的0℃至40℃窗口范围,就禁止充电。与镍镉或镍氢金属电池不同,锂离子电池在充电时温度上升非常少。图1是一个典型的锂离子电池充电曲线,图中显示了充电电流、电池电压和电池容量随时间的变化。


  图1:显示了电池电流、电压和容量的典型充电曲线。

  字母“C”的含义

  字母“C”是一个电池术语,用于指示电池制造商规定的电池放电容量,单位是mAHr。例如,一个额定2000mAHr的电池可以为一个2000mA负载供电一小时,之后电池电压才会降至零容量电压。在这个例子中,以C/2的电流给电池充电意味着以1000mA(1A)充电。字母“C”在电池充电器中变得很重要,因为它决定了电池充满电所需的合适充电电流和时间长度。在讨论最低充电电流终止方法时,采用C/10终止的2000mAHr电池将在充电电流降至低于200mA时终止充电周期。

  决定电池浮动电压的因素

  主要的决定因素是电池阴极中使用的活性材料的电化学电势,就锂而言约为4V。增加其他化合物将提高或降低这个电压。第二个因素是在电池容量、周期寿命、电池寿命和安全性之间取得平衡。图2所示曲线显示了电池容量和周期寿命之间的关系。


  图2:充电器浮动电压与电池容量和周期寿命。

  大多数锂离子电池制造商都设置了一个4.2V浮动电压,以此作为容量和周期寿命之间的最佳平衡。用4.2V作为恒定限压值(浮动电压)时,电池一般可以提供约500个充电/放电周期,然后电池容量降至80%。一个充电周期由一个满充电至一个满放电过程组成。多个浅放电过程合起来构成一个满充电周期。

  尽管利用降低浮动电压或最低充电电流终止方法充电至低于100%的容量最初会降低电池容量,但是随着周期数增加到超过500次,较低浮动电压的电池容量可以超过较高浮动电压的电池容量。关于容量和充电周期数,图3显示了推荐浮动电压与降低浮动电压的比较情况。


  图3:周期寿命和容量与4.1V和4.2V浮动电压。

  由于不同的锂离子电池化学材料和其他条件可能影响电池寿命,因此本文显示的曲线只是估计的充电周期数和电池容量值。由于电池材料和制作方法的微小差别,甚至来自不同制造商的类似电池化学材料也可能产生有天壤之别的结果,电池制造商规定最终用户必须使用的充电方法和浮动电压,以满足电池容量、周期寿命和安全规格要求。不建议充电至高于推荐的浮动电压。很多电池含有电池组保护电路,如果超过最高电池电压,该电路暂时断开电池连接。一旦断开,将电池组连接到充电器一般会复位电池组保护电路。电池组上常常印有一个电压值,如单节电池为3.6V。这个电压不是浮动电压,而是电池放电时的平均电池电压。

  选择电池充电器以延长电池寿命

  尽管电池充电器对电池的深度放电、放电电流和电池温度不加以控制,但是所有这些因素对电池寿命都有影响,很多充电器具有能够延长电池寿命的功能,而且有时可以极大地延长电池寿命。

  电池充电器延长电池寿命的作用主要由充电器的浮动电压和充电终止方法决定。凌力尔特公司的很多锂离子电池充电器具有4.2V±1%(或更低)的固定浮动电压,但是有一些产品为4.1V和4.0V以及具有可调浮动电压。图4显示了一些具有较低浮动电压的电池充电器,用来给4.2V锂离子电池充电时可以延长电池寿命。


  图4:提供较低浮动电压以延长电池寿命的电池充电器。

  不提供较低浮动电压选项的电池充电器也能延长电池寿命。采用最小充电电流终止方法(C/10或C/x)的充电器通过选择以恰当的充电电流值终止充电周期,可以延长电池寿命。

  C/10终止大约仅将电池充电至其容量的92%,但是将提高周期寿命。C/5终止可以将周期寿命延长一倍,但是电池充电量进一步降低至约为容量的85%。图5显示了凌力尔特公司的几款充电器,分别采用C/10(10%电流门限)或C/x(可调电流门限)充电终止模式。


  图5:用最小充电电流终止方法延长电池寿命的电池充电器。

  长工作时间和长电池寿命能兼而有之吗?

  如果采用目前的电池技术,而且不增大电池尺寸,那么答案是不能。要实现最长的工作时间,充电器必须将电池充电至容量的100%。这时电池电压接近制造商推荐的浮动电压,一般为4.2V±1%。遗憾的是,将电池充电至接近这个电压值并保持在这个电压值会缩短电池寿命。一个办法是选择较低的浮动电压,禁止电池100%充电,但是这需要较高容量的电池才能实现同样长的工作时间。当然,在很多便携式产品中,也许不选择较大尺寸的电池。

  采用C/10或C/x最小充电电流终止方法与采用较低浮动电压一样,也可以对电池寿命有同样的影响。浮动电压降低100mV,容量将降低约15%,但是周期寿命可以延长一倍。同时,充电电流降至20%(C/5)时终止充电周期,容量也降低15%,同样可将周期寿命延长一倍。

  放电时典型的锂离子电池输出电压

  可以预料,放电时,电池电压会缓慢下降。放电电压曲线随时间的变化取决于几个因素,包括放电电流、电池温度、电池老化程度和电池使用的阳极材料类型。目前,大多数锂离子电池使用焦炭或石墨。每种电池的电压曲线如图6所示。使用比较广泛的石墨材料在容量的20%和80%之间放电电压变化不大,然后在接近结束时迅速下降,而焦炭阳极具有比较陡的电压斜坡和较低的2.5V截止电压。用焦炭材料时剩余电池容量更容易确定,简单测量电池电压就可以了。


  图6:采用不同阳极材料的锂离子电池放电电压曲线。

  并联或串联连接电池

  为了提高容量,锂离子电池常常并联连接。除了电池必须采用相同的化学材料、来自同一制造商和尺寸相同,没有其他特殊要求。串联连接的电池更需要小心,因为常常需要电池容量匹配和电池平衡电路,以确保每节电池达到相同的浮动电压和相同的充电水平。不建议串联连接两节电池(有各自的电池组保护电路),因为容量失配可能导致一个电池达到过压限值,从而断开电池连接。另外,应该从电池制造商购买已装配了恰当电路的多节电池组。


  本文小结

  锂离子电池的寿命由很多因素决定,其中最重要的是电池化学材料、放电深度、电池温度和电池容量终止值。给电池充电到制造商建议的100%容量可达到制造商公布的满充电/放电周期数。选择允许充电至低于100%容量的充电器,将使需要延长电池寿命的应用极大受益,这是通过选择具有较低浮动电压或较早终止充电周期的电池充电器实现的。



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