作者：钱金荣 (Jinrong Qian)，德州仪器 (TI) 高级便携式产品电池充电管理部门经理

 

在高温下过充电时，锂离子 (Li-ion) 电池往往会变得很危险。对这些电池安全充电，已经成为电池供电的便携式设备中最重要的设计规范之一。在建立工业标准方面已经取得了一些进展，例如：旨在提高电池充电安全性的日本电子信息技术产业协会 J(EITA) 标准。本文将介绍笔记本电脑和单电池手持应用中，满足这些要求的一些安全规定和电池充电器解决方案。

 

锂离子电池广泛应用于消费类电子产品中，从手机到笔记本电脑不一而足。在众多可充电电池中，它拥有最高的容量和重量能量密度，并且没有记忆效应。它们还具有10 倍于镍氢 (NiMH) 电池的自放电率，可以提供系统要求的恒定电能；但是，它们安全吗？

 

业界的所有人都亲眼目睹过笔记本电脑爆炸的场景，也听到过由于存在电池安全问题出现的大规模、史无前例的锂离子电池召回事件。这些电池爆炸或火灾均起因于制造工艺。电池包含数种金属成份，它们有时会导致电池内部出现不需要的金属杂质。这些杂质一般为锋利的金属碎片，它们产生自电池外壳或电极材料。如果这些碎片处于电池电极和隔离层之间，则负极循环的电池会最终使这些碎片刺穿隔离层。这样会导致在正负电极之间形成微短路，从而产生高热量，最终导致出现起火和/或爆炸。

 

高温、起火和爆炸都是散热失控（一种电池进入失控反应的状态）的结果。在散热失控过程中，带有LiCoO₂（阴极物质和石墨以及阳极物质）的电池内部温度高达约175°C。这是一种可引起火灾的不可逆、高度放热的反应，一般出现在对电池充电时。

 

图1显示了常常用于老旧锂离子电池充电系统的充电电流和充电电压过温，这些系统很容易会出现散热失控。在0 到45°C 电池温度下，电池充电电流和充电电压均为恒定。较高的电池温度不仅仅会加速电池老化，而且会增加电池故障的风险。

 

为了提高锂离子电池充电的安全性，JEITA 和日本电池协会在2007 年4 月20 日颁布了新的安全规范。他们的规范强调了在某些低高温范围内避免使用高充电电流和高充电电压的重要性。JEITA 认为，锂离子电池问题均出现在高充电电压和高电池温度下。图2 显示了笔记本电脑应用中所使用电池的电池温度下，充电电流和充电电压的JEITA 规范。这些电池都具有LiCoO₂，其形式为阴极活性物质和石墨以及阳极活性物质。

 

 

在标准充电温度范围（T2 到T3）内，我们可在电池制造厂商建议的上限充电电压和上限充电电流最佳状态下对锂离子电池充电，以获得电池充电安全性。

 

如果充电期间电池的表面温度低于T2，则锂离子会每个获得一个电子，然后变成金属锂。该金属锂可能会堆积在正极，因为低温下传输速率下降，而锂离子进入负电极碳的穿透速度减慢。这种金属锂可轻易地与电解质反应，造成锂离子的永久性丢失，从而使电池更快老化。另外，金属锂和电解质之间的化学反应会产生大量热量，从而产生散热失控。因此，在低电池温度下，充电电流和充电电压均被降低。如果温度进一步降低至T1（例如：0°C），则系统不应再允许充电。

 

如果充电期间电池表面温度升至T3 以上（例如：45°C），则阴极材料LiCoO2 开始变得更加活跃，会在电池电压升高时与电解质产生化学反应。如果电池温度进一步升高至T4，则系统应禁止进行充电。如果电池温度达到4.3V 电池电压下的175°C，则可能会出现散热失控，而且电池可能会爆炸。

 

类似地，图3 显示了单节电池手持应用中锂离子电池充电的JEITA 规范，其充电电流和充电电压也为电池温度的函数。4.25V 最大充电电压包括了电池充电器的全部容限。我们可在高达60°C 的温度下，使用低充电电压对该电池充电，旨在确保安全性。

 

 

智能电池组包括了一个电量计、模拟前端和二级保护电路，常常用于笔记本电脑应用中。电量计通过SMBus 向系统提供电池的电池电压、充电和放电电流、电池温度、剩余电量以及可运行时间信息，旨在优化系统性能。TI 最近开发的bq20z45 和bq20z40 电量计使用了阻抗追踪™ 技术，包括一系列闪存常量，用于基于JEITA 规范对电池充电电流和充电电压进行灵活的编程设定。温度阈值可用户编程，拥有满足不同应用的各种规范的灵活性。这种电量计将充电电流和电压信息传输给智能电池充电器或者键盘控制器，以定期设置正确的充电电流和电压。SMBus 控制型电池充电器（例如：TI bq24745 等）可用作从器件，利用bq20z40 或bq20z45 电量计从智能电池组获取充电电压和电流信息。

 

图4 显示了智能电池充电器的示意图，其具有一个符合笔记本电脑应用JEITA 规范的智能电池组。这种具有同步开关降压转换器的SMBus 控制电池充电器，可以支持一到四节电池和高达8A 充电电流的锂离子电池。动态电源管理功能允许在不增加适配器额定功率的情况下，对电池充电的同时为系统供电。

单电池型便携式设备的电池组一般具有电池和安全保护电路，但却使用充电器而非电量计来监测电池温度，并对充电电压和电流进行调节。TI 的bq24050 单节线性电池充电器专为满足手持设备的JEITA 规范而设计。电池温度位于0°C 和10°C 之间时，它可降低充电电流1/2，同时在电池温度为45°C 和60°C 之间时把充电电压降至4.06V。图5 显示了bq24050 线性充电器的典型应用电路。这种充电器通过热敏电阻 (TS) 引脚对电池温度进行监控，并在监控温度达到阈值时调节充电电流和电压。

 

锂离子电池安全充电至关重要，其已经成为充电器设计的关键规范之一。按照 JEITA 建议，降低低温和高温下的充电电流和电压可以极大地提高电池充电的安全性。我们同时介绍了符合 JEITA 标准的开关模式和线性电池充电器解决方案。

 

用 bq24050、bq24745 或 bq24747 代替 partnumber。