符合JEITA规范的锂电池充电器解决方案

图 1 旧式锂电池充电系统的充电电流上限和充电电压。

锂电池(Li-ion battery)在高温下过度充电，会对使用者造成危险。因此电池安全充电，已成为电池供电的可携式设备中最重要的设计规范之一，产业标准的建立也已有进一步进展，例如日本电子信息技术产业协会(Japan Electronics Information Technology Association；JEITA)即公布标准以增进电池充电安全性。本文将介绍笔记本电脑和单一电池手持装置应用中，符合JEITA安全规范的电池充电器解决方案。

电池充电器安全与JEITA规范

锂电池广泛应用于消费电子产品中，从手机到笔记本电脑。在众多可充电电池中，其拥有最高容量(volumetric)和重量能量密度 (gravimetric energy densities) ，且不具记忆效应(memory effect) 。同时具有10倍于镍氢(NiMH)电池的自放电率(self-discharge rate) ，可提供系统需要的恒定电能，但是锂电池安全吗？

业界许多人都曾目睹笔记本电脑爆炸的场景，也听说过因电池安全问题所出现的大规模的召回事件。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，有时会导致电池内部出现金属杂质。这些杂质通常是锋利的金属碎片，自电池外壳或电极材料产生。若这些碎片处于电池电极(electrode)和隔离层(separator)间，则负极循环的电池最终会使这些碎片刺穿隔离层，导致在正负电极之间形成轻微短路(microshort) ，并产生高温，最终出现起火和爆炸。

高温、起火和爆炸都是热崩溃(thermal runaway)的结果 ，即电池进入失控状态。在热崩溃(thermal runaway)过程中，带有LiCoO2(负极物质、石墨及正极物质)的电池内部温度高达约175°C，出现不可逆的高度放热反应，因此在电池充电时引起火灾。图1显示经常用于老旧锂电池充电系统的充电电流和充电电压过温，这些系统很容易出现热崩溃(thermal runaway)。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。较高的电池温度会加速电池老化，也会增加电池故障的风险。

为了提高锂电池充电的安全性，JEITA和日本电池协会(Battery Association of Japa)在2007年4月20日颁布安全规范。此规范强调在某些低高温范围内，避免使用高充电电流和高充电电压。JEITA认为，锂电池问题均出现在高充电电压和高电池温度下。图2显示笔记本电脑中所使用的电池温度下，充电电流和充电电压的JEITA规范。这些电池都具有 LiCoO2，存在于负极活性物质，和石墨以及正极活性物质中。

在标准充电温度范围(T2到T3)内，使用者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，安全地对锂电池充电。

低温充电

如果充电期间电池的表面温度低于 T2，每个锂离子会获得一个电子，变成金属锂(metallic lithium)，堆积在正极，因为低温下传输速率下降，锂离子进入负电极碳的穿透速度减慢。金属锂(metallic lithium)可轻易地与电解质反应，锂离子数量减少，使电池更快老化。金属锂(metallic lithium)和电解质之间的化学反应会产生大量热能，产生热崩溃(thermal runaway)。因此，在低电池温度下，充电电流和充电电压均须降低。如果温度降低至T1(例如：0°C)，则系统不应再允许充电。

高温充电

如果充电期间电池表面温度升至T3以上(例如：45°C)，则负极材料LiCoO2开始变得更加活跃，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，则可能会出现热崩溃(thermal runaway)，而且电池可能会爆炸。

同样地，图3显示单节电池手持应用中锂电池充电的JEITA规范，其充电电流和充电电压也为电池温度的函数。4.25V最大充电电压包括电池充电器的全部容限。使用者可在高达60°C的温度下，以低充电电压充电，确保安全性。

符合JEITA规范的电池充电器解决方案

智能电池组包含电量计、类比前端和次级保护电路，时常用于笔记本电脑中。电量计透过SMBus向系统提供电池电压、充电和放电电流、电池温度、剩余电量及可执行时间等信息，以优化系统效能。TI bq20z45和bq20z40电量计使用阻抗追踪 (Impedance Track) 技术，包括一系列快闪存储器常数，基于JEITA对电池充电电流和充电电压的规范，进行可程序设定。温度阈值可由使用者以程序设定，满足不同应用的各种规范。电量计将充电电流和电压信息传输给智能电池充电器或键盘控制器，以定期设置正确的充电电流和电压。SMBus控制型电池充电器(如TI bq24745)可用于从属元件(slave device) ，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为智能电池充电器的示意图，为一符合笔记本电脑应用JEITA规范的智能电池组。此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 充电电流的锂电池。动态电源管理功能允许在不增加电源供应器 (adaptor) 额定功率的情况下，对电池充电，并同时为系统供电。

单节电池型可携式设备的电池组通常具有电池和安全保护电路，使用充电器来监测电池温度，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，可将充电电流降低一半，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 线性充电器的标准应用电路。这种充电器透过热敏电阻 (thermistor；TS)接脚，监控电池温度，在温度达到阈值时调节充电电流和电压。

结论

锂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，可大幅提高电池充电安全性。本文也同时介绍JEITA标准的开关模式和线性电池充电器解决方案。(本图文由TI德州仪器公司所提供，作者：德州仪器(TI)高端可携式产品电池充电管理部门经理钱金荣，陈毅斌整理)