符合JEITA規範的鋰電池充電器解決方案

圖 1 舊式鋰電池充電系統的充電電流上限和充電電壓。

鋰電池(Li-ion battery)在高溫下過度充電，會對使用者造成危險。因此電池安全充電，已成為電池供電的可攜式設備中最重要的設計規範之一，產業標準的建立也已有進一步進展，例如日本電子資訊技術產業協會(Japan Electronics Information Technology Association；JEITA)即公布標準以增進電池充電安全性。本文將介紹筆記型電腦和單一電池手持裝置應用中，符合JEITA安全規範的電池充電器解決方案。

電池充電器安全與JEITA規範

鋰電池廣泛應用於消費電子產品中，從手機到筆記型電腦。在眾多可充電電池中，其擁有最高容量(volumetric)和重量能量密度 (gravimetric energy densities) ，且不具記憶效應(memory effect) 。同時具有10倍於鎳氫(NiMH)電池的自放電率(self-discharge rate) ，可提供系統需要的恆定電能，但是鋰電池安全嗎？

業界許多人都曾目睹筆記型電腦爆炸的場景，也聽說過因電池安全問題所出現的大規模的召回事件。電池爆炸或火災均起因於製造工藝。電池包含數種金屬成份，有時會導致電池內部出現金屬雜質。這些雜質通常是鋒利的金屬碎片，自電池外殼或電極材料產生。若這些碎片處於電池電極(electrode)和隔離層(separator)間，則負極迴圈的電池最終會使這些碎片刺穿隔離層，導致在正負電極之間形成輕微短路(microshort) ，並產生高溫，最終出現起火和爆炸。

高溫、起火和爆炸都是熱崩潰(thermal runaway)的結果 ，即電池進入失控狀態。在熱崩潰(thermal runaway)過程中，帶有LiCoO2(負極物質、石墨及正極物質)的電池內部溫度高達約175°C，出現不可逆的高度放熱反應，因此在電池充電時引起火災。圖1顯示經常用於老舊鋰電池充電系統的充電電流和充電電壓過溫，這些系統很容易出現熱崩潰(thermal runaway)。在0到45°C電池溫度下，電池充電電流和充電電壓均為恆定。較高的電池溫度會加速電池老化，也會增加電池故障的風險。

為了提高鋰電池充電的安全性，JEITA和日本電池協會(Battery Association of Japa)在2007年4月20日頒布安全規範。此規範強調在某些低高溫範圍內，避免使用高充電電流和高充電電壓。JEITA認為，鋰電池問題均出現在高充電電壓和高電池溫度下。圖2顯示筆記型電腦中所使用的電池溫度下，充電電流和充電電壓的JEITA規範。這些電池都具有 LiCoO2，存在於負極活性物質，和石墨以及正極活性物質中。

在標準充電溫度範圍(T2到T3)內，使用者可在電池製造廠商建議的上限充電電壓和上限充電電流最佳狀態下，安全地對鋰電池充電。

低溫充電

如果充電期間電池的表面溫度低於 T2，每個鋰離子會獲得一個電子，變成金屬鋰(metallic lithium)，堆積在正極，因為低溫下傳輸速率下降，鋰離子進入負電極碳的穿透速度減慢。金屬鋰(metallic lithium)可輕易地與電解質反應，鋰離子數量減少，使電池更快老化。金屬鋰(metallic lithium)和電解質之間的化學反應會產生大量熱能，產生熱崩潰(thermal runaway)。因此，在低電池溫度下，充電電流和充電電壓均須降低。如果溫度降低至T1(例如：0°C)，則系統不應再允許充電。

高溫充電

如果充電期間電池表面溫度升至T3以上(例如：45°C)，則負極材料LiCoO2開始變得更加活躍，在電池電壓升高時與電解質產生化學反應。如果電池溫度進一步升高至 T4，則系統應禁止充電。如果電池溫度達到4.3V電池電壓下的175°C，則可能會出現熱崩潰(thermal runaway)，而且電池可能會爆炸。

同樣地，圖3顯示單節電池手持應用中鋰電池充電的JEITA規範，其充電電流和充電電壓也為電池溫度的函數。4.25V最大充電電壓包括電池充電器的全部容限。使用者可在高達60°C的溫度下，以低充電電壓充電，確保安全性。

符合JEITA規範的電池充電器解決方案

智慧電池組包含電量計、類比前端和次級保護電路，時常用於筆記型電腦中。電量計透過SMBus向系統提供電池電壓、充電和放電電流、電池溫度、剩餘電量及可執行時間等資訊，以優化系統效能。TI bq20z45和bq20z40電量計使用阻抗追蹤 (Impedance Track) 技術，包括一系列快閃記憶體常數，基於JEITA對電池充電電流和充電電壓的規範，進行可程式設定。溫度閾值可由使用者以程式設定，滿足不同應用的各種規範。電量計將充電電流和電壓資訊傳輸給智慧電池充電器或鍵盤控制器，以定期設置正確的充電電流和電壓。SMBus控制型電池充電器(如TI bq24745)可用於從屬元件(slave device) ，利用bq20z40或bq20z45電量計從智慧電池組獲取充電電壓和電流資訊。

圖4為智慧電池充電器的示意圖，為一符合筆記型電腦應用JEITA規範的智慧電池組。此具有同步開關降壓轉換器的 SMBus 控制電池充電器，可以支援一到四節電池和高達 8A 充電電流的鋰電池。動態電源管理功能允許在不增加電源供應器 (adaptor) 額定功率的情況下，對電池充電，並同時為系統供電。

單節電池型可攜式設備的電池組通常具有電池和安全保護電路，使用充電器來監測電池溫度，並對充電電壓和電流進行調節。TI 的 bq24050 單節線性電池充電器專為滿足手持設備的JEITA規範而設計。電池溫度位於0°C和10°C之間時，可將充電電流降低一半，電池溫度為45°C和60°C之間時，把充電電壓降至4.06V。圖5顯示了 bq24050 線性充電器的標準應用電路。這種充電器透過熱敏電阻 (thermistor；TS)接腳，監控電池溫度，在溫度達到閾值時調節充電電流和電壓。

結論

鋰電池安全充電至關重要，其已經成為充電器設計的關鍵規範之一。按照JEITA建議，降低低溫和高溫下的充電電流和電壓，可大幅提高電池充電安全性。本文也同時介紹JEITA標準的開關模式和線性電池充電器解決方案。(本圖文由TI德州儀器公司所提供，作者：德州儀器(TI)高階可攜式產品電池充電管理部門經理錢金榮，陳毅斌整理)