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2010-12-21 18:14:13
人們一直非常重視提高鋰離子電池的容量，期望以實體尺寸最小的電池實現最長的產品工作時間。但在部份應用中，較長的電池壽命、較多的充電次數或較安全的電池比電池容量更重要。本文介紹幾種可以大幅延長電池壽命的鋰離子電池充電和放電方法。
幾乎所有高性能可攜式產品都會使用包括鋰離子聚合物電池在內的可再充電鋰離子電池，這是因為與其它可再充電電池相較，鋰離子電池有較高的能量密度、較高的電池電壓、自放電少、週期壽命非常長、環保，且充電和維護簡單。另外，由於其具有相對高的電壓(2.9V至4.2V)，因此很多可攜式產品都能用單節電池工作，因而簡化了產品整體設計。
就決定鋰離子電池週期壽命或服務壽命的因素來看，並不存在任何延長或縮短電池壽命的單一因素，而常常是幾種因素合起來發揮作用。就延長週期壽命而言有以下方法可以延長電池壽命：
1．採用部份放電的做法。在再充電前僅使用20%或30%的電池容量會極大延長週期壽命。一般的規則是：5至10個淺放電週期等於1個滿放電週期。儘管部份放電週期可能達到數千次，但是保持電池處於滿充電狀態也縮短電池壽命。如果可能，應該避免滿放電週期(降至2.5V或3V，取決於化學材料)。
2.避免充電至容量的100%。選擇一個較低的浮動電壓可以做到這一點。降低浮動電壓將提高週期壽命和服務壽命，代價是降低電池容量。浮動電壓降低100mV至300mV可以將週期壽命延長2至5倍或更長。與其它化學材料相較，鋰離子鈷化學材料對較高浮動電壓更感應。磷酸鋰離子電池的浮動電壓通常比更常見的鋰離子電池低。
3． 選擇合適的充電終止方法。選擇一個採用最小充電電流終止(C/10或C/x)的充電器，透過不充電到容量的100%，也可以延長電池壽命。例如，電流降至C/5時結束充電週期與將浮動電壓降至4.1V的效果類似。在這兩種情況下，電池都只充電至約為容量的85%，這是決定電池壽命的一個重要因素。
4．限制電池溫度。限制電池的極限溫度可以延長電池壽命，尤其是禁止在0℃以下充電。在0℃以下充電促進金屬在電池陽極上的鍍敷，這可能造成內部短路，產生熱量並使電池不穩定和不安全。很多電池充電器都有測量電池溫度的裝置，以確保不會在極限溫度時充電。
5．避免大的充電和放電電流，因為這會縮短週期壽命。有些化學材料更適合較大電流，如鋰離子錳和磷酸鋰離子電池。大電流為電池施加了過大的壓力。
6．避免低於2V或2.5V的深度放電，因為這會迅速地永久性損壞鋰離子電池。可能產生內部金屬鍍敷，這會引起短路，使電池不可用或不安全。大多數鋰離子電池在電池組內部都有電子電路，如果充電或放電時電池電壓低於2.5V、超過4.3V或如果電池電流超過預設定閾值，該電子電路就會斷開電池連接。
鋰離子電池充電方法
為鋰離子電池充電的推薦方法是，向電池提供一個±1%限壓的恆定電流，直到電池充滿電，然後停止充電。用來決定電池何時充滿電的方法包括：為總充電時間定時、監視充電電流或兼用這兩種方法。第一種方法採用限壓恆定電流，變化範圍從C/2到1C，持續2.5至3小時，使電池達到100%充電。也可以使用較低的充電電流，但是將需要更長時間。第二種方法與第一種方法類似，只是需要監視充電電流。隨著電池的充電，電壓上升，這與採用第一種方法時完全相同。電池電壓達到編程限壓值(也稱為浮動電壓)時，充電電流開始下降。電流一開始下降時，電池約充電至容量的50%至60%。浮動電壓繼續提供，直到充電電流降至足夠低的水準(C/10至C/20)，這時電池約充電至容量的92%至99%，充電週期終止。目前，要為標準鋰離子電池快速充電(不到1小時)至容量的100%，還沒有一種安全的方法。
不推薦在電池充滿電後仍然為電池加上連續電壓，因為這會加速永久性容量損失，而且可能引起內部鋰金屬鍍敷。這種鍍敷可能發展成內部短路通路，引起過熱，使電池受熱時不穩定。
有些鋰離子電池充電器允許使用熱感應電阻監視電池溫度。這麼做的主要目的是，如果電池溫度超出推薦的0℃至40℃窗口範圍，就禁止充電。與鎳鎘或鎳氫金屬電池不同，鋰離子電池在充電時溫度上升非常少。圖1是一個典型的鋰離子電池充電曲線，圖中顯示了充電電流、電池電壓和電池容量隨時間的變化。
圖1：顯示了電池電流、電壓和容量的典型充電曲線。
本文提及的字母‘C’是一個電池術語，用於指示電池製造商規定的電池放電容量，單位是mAHr。例如，一個額定2000mAHr的電池可以為一個2,000mA負載供電一小時，之後電池電壓才會降至零容量電壓。在這個例子中，以C/2的電流為電池充電意味著以1,000mA(1A)充電。字母‘C’在電池充電器中變得很重要，因為它決定了電池充滿電所需的合適充電電流和時間長度。在討論最低充電電流終止方法時，採用C/10終止的2,000mAHr電池將在充電電流降至低於200mA時終止充電週期。
決定電池浮動電壓的因素
主要的決定因素是電池陰極中使用的活性材料的電化學電勢，就鋰而言約為4V。增加其它化合物將提高或降低這個電壓。第二個因素是在電池容量、週期壽命、電池壽命和安全性之間取得平衡。圖2所示曲線顯示了電池容量和週期壽命之間的關係。
圖2：充電器浮動電壓與電池容量和週期壽命。
大多數鋰離子電池製造商都設置了一個4.2V浮動電壓，以此作為容量和週期壽命之間的最佳平衡。用4.2V作為恆定限壓值(浮動電壓)時，電池一般可以提供約500個充電/放電週期，然後電池容量降至80%。一個充電週期由一個滿充電至一個滿放電過程組成。多個淺放電過程合起來構成一個滿充電週期。
儘管利用降低浮動電壓或最低充電電流終止方法充電至低於100%的容量最初會降低電池容量，但是隨著週期數增加到超過500次，較低浮動電壓的電池容量可以超過較高浮動電壓的電池容量。關於容量和充電週期數，圖3顯示了推薦浮動電壓與降低浮動電壓的比較情況。
圖3：週期壽命和容量與4.1V和4.2V浮動電壓。
由於不同的鋰離子電池化學材料和其他條件可能影響電池壽命，因此本文顯示的曲線只是估計的充電週期數和電池容量值。由於電池材料和製作方法的微小差別，甚至來自不同製造商的類似電池化學材料也可能產生有天壤之別的結果，電池製造商規定最終用戶必須使用的充電方法和浮動電壓，以滿足電池容量、週期壽命和安全規格要求。不建議充電至高於推薦的浮動電壓。很多電池含有電池組保護電路，如果超過最高電池電壓，該電路暫時斷開電池連接。一旦斷開，將電池組連接到充電器一般會重置電池組保護電路。電池組上常常印有一個電壓值，如單節電池為3.6V。這個電壓不是浮動電壓，而是電池放電時的平均電池電壓。
選擇電池充電器以延長電池壽命
儘管電池充電器對電池的深度放電、放電電流和電池溫度不加以控制，但是所有這些因素對電池壽命都有影響，很多充電器具有能夠延長電池壽命的功能，而且有時可以大幅延長電池壽命。
電池充電器延長電池壽命的作用主要由充電器的浮動電壓和充電終止方法決定。凌力爾特公司的很多鋰離子電池充電器具有4.2V±1%(或更低)的固定浮動電壓，但是有一些產品為4.1V和4.0V以及具有可調浮動電壓。圖4顯示了一些具有較低浮動電壓的電池充電器，用來為4.2V鋰離子電池充電時可以延長電池壽命。
圖4：提供較低浮動電壓以延長電池壽命的電池充電器。
不提供較低浮動電壓選項的電池充電器也能延長電池壽命。採用最小充電電流終止方法(C/10或C/x)的充電器透過選擇以恰當的充電電流值終止充電週期，可以延長電池壽命。
C/10終止大約僅將電池充電至其容量的92%，但是將提高週期壽命。C/5終止可以將週期壽命延長一倍，但是電池充電量進一步降低至約為容量的85%。圖5顯示了凌力爾特公司的幾款充電器，分別採用C/10(10%電流閾值)或C/x(可調電流閾值)充電終止模式。
圖5：用最小充電電流終止方法延長電池壽命的電池充電器。
兼具長工作時間和長電池壽命
如果採用目前的電池技術，而且不增大電池尺寸，那麼，要同時兼具長工作時間和長電池壽命的答案是不可能的。要實現最長的工作時間，充電器必須將電池充電至容量的100%。這時電池電壓接近製造商推薦的浮動電壓，一般為4.2V±1%。遺憾的是，將電池充電至接近這個電壓值並保持在這個電壓值會縮短電池壽命。一個辦法是選擇較低的浮動電壓，禁止電池100%充電，但是這需要較高容量的電池才能實現同樣長的工作時間。當然，在很多可攜式產品中，也許不選擇較大尺寸的電池。
採用C/10或C/x最小充電電流終止方法與採用較低浮動電壓一樣，也可以對電池壽命有同樣的影響。浮動電壓降低100mV，容量將降低約15%，但是週期壽命可以延長一倍。同時，充電電流降至20%(C/5)時終止充電週期，容量也降低15%，同樣可將週期壽命延長一倍。
可以預料，放電時，電池電壓會緩慢下降。放電電壓曲線隨時間的變化取決於幾個因素，包括放電電流、電池溫度、電池老化程度和電池使用的陽極材料類型。目前，大多數鋰離子電池使用焦炭或石墨。每種電池的電壓曲線如圖6所示。使用比較廣泛的石墨材料在容量的20%和80%之間放電電壓變化不大，然後在接近結束時迅速下降，而焦炭陽極具有比較陡的電壓斜坡和較低的2.5V截止電壓。用焦炭材料時剩餘電池容量更容易確定，簡單測量電池電壓就可以了。
圖6：採用不同陽極材料的鋰離子電池放電電壓曲線。
並聯或串聯連接電池
為了提高容量，鋰離子電池常常並聯連接。除了電池必須採用相同的化學材料、來自同一製造商和尺寸相同，沒有其他特殊要求。串聯連接的電池更需要小心，因為常常需要電池容量匹配和電池平衡電路，以確保每節電池達到相同的浮動電壓和相同的充電水準。不建議串聯連接兩節電池(有各自的電池組保護電路)，因為容量失配可能導致一個電池達到過壓閾值，因而斷開電池連接。另外，應該從電池製造商購買已裝配了恰當電路的多節電池組。
本文小結
鋰離子電池的壽命由很多因素決定，其中最重要的是電池化學材料、放電深度、電池溫度和電池容量終止值。為電池充電到製造商建議的100%容量可達到製造商公佈的滿充電/放電週期數。選擇允許充電至低於100%容量的充電器，將使需要延長電池壽命的應用極大受益，這是透過選擇具有較低浮動電壓或較早終止充電週期的電池充電器實現的。
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