【Maker電子學】可充電式鋰電池的充電與管理

作者:Bird

上次我們談了可充電式鋰離子電池的特性與安全性,但如果要將它用在你的 Maker 專案中,除了利用它提供的能量外,當它沒電時你還得想辦法餵飽它,因此這次我們就來談談可充電式鋰離子電池的電源管理。

充電其實不難

要對電池充電其實不難。電池本身就是利用各種電化學反應讓正極有著比負極高的電動勢,或者說電壓,因此當正負極之間形成迴路時,電流就會由電壓較高的正極流向電壓較低的負極。我們想對電池充電時,只要在正極上面加上比它高的電壓(當然,是相對於負極來説),由於電流會由電壓高的地方往電壓低的地方流動,此時電流就會流入電池内部,進而逆轉電池内部的電化學反應。這就是充電。

但不是所有的電池的電化學反應都能完全利用這個方式逆轉,我們之前提過很多的一次性電池,如果你用這樣的方法迫使電流流入電池内部,它可能會產生不在原來電池設計中的化學反應,比如像產生額外的氣體、發熱等,因此唯有反應可藉由電流流入而逆轉的電池,才夠資格成爲二次電池,也才能充電。

由於需要比電池端電壓更高的電壓才能迫使電流流入電池内部,要對一個電池充電的第一條規則就是:要有個比待充電電池更高的電壓

至於應該要比電池的電壓高出多少?這就是學問了。

充電電流

當一個迴路中有電壓差時,流過的電流怎麽決定呢?歐姆定律告訴我們,電流由壓差和電路的等效電阻決定:

V = I * R
I = V / R

電池充電的電路看起來像這樣:

(圖片來源:Bird 提供)

這裡面好像看不到電阻?如果沒有電阻的話,電流似乎會失控?

事實上除非是超導體,否則任何導體都會有電阻,而更重要的是電池本身也會有内部電阻,所以電池的充電電路看起來應該像是這樣的:

(圖片來源:Bird 提供)

假設我們有非常好的電路連接,讓導線的電阻可以忽略不計,那麽流進電池的電流大小就會由電壓源的電壓和電池端電壓的壓差,以及電池的内阻決定。

如果電池的内阻是 R、電源電壓是 V1、電池端電壓是 V2,則流進電池的電流就是

I = (V1 – V2) / R

鋰離子電池的充電

我們回到鋰離子電池上。以一般的 18650 鋰電池爲例,它的内阻大概在 0.5 Ω – 0.1 Ω 左右。假設它的内阻是 0.1 Ω,而電池已經放電到端電壓剩下 3.4 V。如果此時我們加一個 4 V 的電壓在電池上,會有多大的電流流經電池對它充電呢?

I =(4 V – 3.4 V)/ 0.1 Ω = 6 A

居然會有 6 安培的電流流入電池!我們來算一下,6 安培的電流在電池的内阻上會發出多少熱,一樣可以用歐姆定律求得:

3.6 W 是個不小的功率,我們之前説過,鋰離子電池最怕熱,不僅放電時怕熱,充電時也怕熱。這麽大的功率在電池内部產生,非常容易造成鋰離子電池的電解液燃燒、爆炸。

而事實上,4 V 的電壓對鋰離子電池來説,其實沒辦法將它充飽。因爲鋰離子電池的端電壓和它的所剩電量有關,當電池的電量漸增,端電壓會隨之上升,而一般 18650 鋰電池在滿電時的端電壓是 4.2 V 左右,因此至少要有 4.2 V 的電壓才有辦法把 18650 鋰電池充到飽。但我們從前面的計算又發現,當電池的電量較低時,它的端電壓也會比較低,此時用稍高的電壓就會產生非常大的充電電流,造成危險。

因此,對於這種内阻很小的電池,我們不能直接用電壓源對它充電,而必須改變策略,使用定電流充電。

在鋰電池的端電壓較低時,爲了避免電池充電的過程中太熱,我們必須限制流入電池的電流大小,至於可以用多大的電流對電池充電,則要看電池的規格書。

以 Panasonic 的 UR18650A 這顆泛用型 18650 鋰電池爲例,我們來看看它的規格書:

Panasonic 的 UR18650A 規格書

規格書上告訴我們充電的方式是「CC-CV Std. 1510 mA 4.2 V 3 小時」,讓我們好好來研究這句話的意思。

前面説過,充電電流是由充電器和電池之間的電壓差,以及電池的内阻決定的。因此當電池的電壓還很低時,我們要降低充電器的電壓,以避免電流超過 1510 mA。實務上這樣的充電器會用一個限流電路或是電流源來達成。這就是這個規格中「CC」的意思:Constant Current

但隨著電池的電壓漸漸增高,若要維持同樣的充電電流,充電器的電壓也要跟著調高。但這裡有件很重要的事:加在鋰電池上的電壓絕對不能超過它的電化學反應電動勢 ,以鋰離子電池來説這個電壓通常是 4.2 V。如果你加在電池上的電壓超過 4.2 V,會讓鋰離子電池中的鋰離子在電極表面還原成鋰金屬,這個效應稱爲鋰離子電池的「電極金屬化」,會嚴重破壞鋰離子電池的容量和功能。

實務上只要加在鋰離子電池的電壓達到 4.3 V,就已經可以在電池的電極表面觀察到大量的鋰金屬化現象,使得電池容量受損。當電壓超過 4.45 V 時,幾乎會完全損壞電池。

因此,在我們對鋰離子充電時,必須嚴格限制加在電池上的電壓不能超過 4.2 V,這一點非常、非常、非常重要。

綜合以上對充電電流和電壓的限制,對這顆 UR18650A 電池充電,我們需要一個「電壓上限 4.2 V 的 1510 mA 限流電路」。當電池的端電壓小於 4.2 V 時,這個限流電路會調整輸出的電壓,將電流限制在 1510 mA 以下,這時稱之爲定電流(Constant Current)充電模式,也就是規格書上提到的「CC」。

隨著電池裡面的電越來越多,電池的端電壓漸漸上升,充電器要維持 1510 mA 充電電流所需要輸出的電壓也會越來越高。假設電池的内阻是 0.1 Ω,要維持 1510 mA 的充電電流,充電器的輸出電壓就要比電池高出:

V = IR = 1.51×0.1 = 0.151(V)

當電池的電壓高於 4.05 V 以上時,如果我們還要維持這個充電電流,所需要的充電電壓就會超過 4.2 V,會造成電池的損壞。因此當限流電路所需要的電壓超過 4.2 V 時,我們就將它限制在 4.2 V,而不再企圖維持恆定的充電電流。這時候就進入定電壓(Constant Voltage)充電模式,也就是規格書上提到的「CV」。

在 CV 模式中,隨著電池的端電壓越來越高,充電器與電池之間的壓差會越來越小,因此流入電池的充電電流也會越來越小,這時充電的速度就會越來越慢。這就是爲什麽手機從 10% 充到 80% 的速度很快,但是從 80% 充到 100% 的速度明顯慢下來的原因。

在電池的規格書上有這麽一張圖,勝過千言萬語:

從 3.5 V 左右的端電壓起,以 0.7 C 的充電電流對 UR18650A 這顆電池充電時,電池的電壓(藍線)、充電電流(綠線)、以及電容量(紅線)的變化。

0.7 C 是個根據電池容量來表示充電電流的方法。電池的容量單位是 Ah 或 mAh,它是電流(A 或 mA)與時間(h,小時)的乘積。當一顆電池的容量標示為 2100 mAh 時,就代表它所能提供的電量相當於用 2100mA 放電一個小時(1 C),換句話説也等於用 1050 mA 放電兩個小時(0.5 C),或是用 525 mA(0.25C)放電四個小時。如果我們用 2C(4200 mA)放電,由於較大的電流會在電池的内阻上消耗更多的能量,此時放出來的電量就不會到 2100 mAh,或者,用 4200 mA 放電放不到半小時就會沒電。

以這顆 UR18650A 來説,它在 25℃ 時的容量是 2150 mAh,因此 0.7 C 的充電電流:

2150×0.7 = 1505(mA)

從上面的充電特性圖可以看出來,剛開始充電時,充電電流(綠色)一直維持在 1500 mA 左右,由於是定電流充電,電流乘上時間就等於電量,因此電池的電量呈線性的穩定上升,電池的電壓也隨著電量上升。在 80 分鐘左右時,電池的電量已經超過 2000 mAh 了,電壓也接近 4.2 V 左右。此時充電電路要從 CC 模式轉爲 CV 模式,用 4.2 V 的定電壓對電池充電。由於充電器與電池之間的壓差變小了,充電電流就開始遞減。因爲充電電流變小了,電池電量上升的速度也就變慢了。

當電池的端電壓到達 4.2 V 時,理論上用 4.2 V 去充它,就不會有電流再流進去。但事與願違,實務上我們不容易造出一個非常非常精準的 4.2000000 V 電壓來控制 CV 階段的充電,而電池的端電壓其實也會隨著溫度、内阻、與電流大小的不同而有微小的差異。不過可以確定的是,當電池的電壓越來越高,流進電池的電流就會越來越少,因此我們可以設定一個電流,當流入電池的電流小於這個值得時候,就當作電池充飽了,然後停止充電。這就是這張圖上面寫的 41 mA cut off。它的意思是在 4.2 V CV 模式充電時,如果流入電池的電流小於 41 mA,就視爲已經充飽了,不要再繼續充。

如果不用電流做 cut off 會發生什麽事呢?其實還是有一定的危險性。比如説這個電池在某個溫度下的最高端電壓就是 4.198 V,而我們用 4.200V 去充它,由於它永遠到不了 4.2 V,再怎麽樣就是會有 0.002V 的壓差。假設内阻是 0.1 Ω,這時的充電電流就是:

I = V / R = 0.002 / 0.1 = 0.02(A)

20 mA 左右的電流説大不大,它也許不會讓電池太熱,但由於已經是過度充電,電池的電極已經開始遭到破壞。

因此這種 CC-CV 的充電模式,在 CV 階段的最後,通常都還要搭配電流偵測來決定停止充電的時機,以免對電池過度充電,損壞它的電極。

小結

以上就是簡單的鋰離子電池的充電方法。這樣的程序要用離散電路來做,其實並不容易,需要穩壓電路、限流電路、電流比較器、以及一些控制邏輯等。更快速、更複雜的充電電路還要考慮電池的溫度,因此通常會使用專用的鋰電池充電 IC 來設計。

下回我們就用這一類的 IC 來實作單一電池的鋰電池充電電路吧!

(責任編輯:賴佩萱)

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在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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