ZHCACX2 july   2023 BQ24630 , BQ25170 , BQ25180 , BQ25300 , BQ25620 , BQ25730 , BQ25798

 

  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1引言
  5. 2充电曲线以及 SOC 与 OCV 间的关系
  6. 3热失控和温度特性
  7. 4应用
  8. 5总结
  9. 6参考文献

2 充电曲线以及 SOC 与 OCV 间的关系

LiFePO4 电池和锂离子电池的充电曲线相同，如图 2-1 所示。该充电曲线是标准的预充电、CC 和 CV 充电曲线，但由于 LiFePO4 电池和锂离子电池具有不同的电压曲线，因此充电曲线中的这些阶段在不同的电压下发生。对于锂离子电池，VOREG≈ 3.9V 至 4.2V，VPrecharge ≈ 3.0V，VShort ≈ 2.0V。对于 LiFePO4 电池，VOREG ≈ 3.5V 至 3.65V，VPrecharge ≈ 2.0V，VShort ≈ 1.2V。

此外，LiFePO4 电池和锂离子电池的充电率相似，但锂离子电池的放电率通常为 1C，而 LiFePO4 电池的放电率则为 3C。这使得 LiFePO4 非常适合更高电流的应用。


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图 2-1 标准 CC/CV 充电曲线

LiFePO4 电池和锂离子电池的另一个主要区别是它们的 SOC（充电状态）与 OCV（开路电压）曲线。如图 2-2 所示，锂离子电池的 SOC 与 OCV 曲线具有相当高的线性度，而 LiFePO4 电池在大约 85% 至 100% 的 SOC 范围内具有相当高的线性度，但在大约 10% 至大约 85% 的 SOC 范围内，斜率会出现突变。当选择一项设计中所需的充电电压精度和电池将要充电到的 SOC 时，这一点显得尤为重要 [1]。

[1] 设计人员可以选择以较低 SOC 为电池充电，以减少因阳极上石墨分解而导致的容量降额。


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图 2-2 锂离子电池 SOC 与 OCV 曲线

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图 2-3 LiFePO4 电池 SOC 与 OCV 曲线

充电电压的微小误差可能会导致很大一部分电池容量闲置，当设计人员决定尝试通过将电池充电至低于 100% 的 SOC 来保持电池续航时间时尤其如此。表 2-1 和表 2-2 显示了锂离子电池和 LiFePO4 电池由于充电电压误差而可能损失的电池容量，从而很好地说明了这一点。表 2-1 说明了充电至 100% SOC 时的情况，而表 2-2 说明了充电至 80% SOC 时的情况。

为了说明如何得出表 2-1 和表 2-2 的结果，我们以表 2-1 为例进行说明。当设计人员使用充电电压调节精度为 +/-2% 的充电设计为锂离子电池充电时，如果设计目标是不让电池电压超过充电电压的 100%，那么考虑到 +2% 的容差，需要将充电电压设置为 98%。因此，考虑到负端充电电压精度，最小 Vbat 可以是最大充电电压的 96%。这样一来，在充电电压精度为 ±2% 的情况下，电池充电电压可能会低于最大充电电压的 4%，这会导致高达 13.2% 的电池容量闲置。

如表 2-1 所示，即使充电电压精度为 ±0.5%，也会导致电池容量损失 3%。这只会随着充电电压精度的降低而成倍增加。通过对比 LiFePO4 电池与锂离子电池可以发现，LiFePO4 电池在充电至 100% SOC 时性能更好，因为与锂离子电池相比，LiFePO4 电池的 SOC 与 OCV 曲线在 SOC 较高时的斜率更小。

然而如表 2-2 所示，将 LiFePO4 电池充电至 80% SOC 以保持电池续航时间的做法基本不切实际。即使充电电压精度为 ±0.5%，也会损失高达 41.4% 的电池可用容量。如果您决定将电池充电至 80% SOC，那么除了 20% 的电池寿命损失外，还会再损失 21.4% 的电池寿命。

表 2-1 充电电压精度与电池容量损失间的关系（充电至 100% SOC 时，TI 设计与其他设计相比）
充电器设计 充电电压精度 电池 最小 Vbat (mV)(1) Vbat 时的容量 最大容量损失 与 TI 设计相比的容量损失
德州仪器 (TI) ±0.5% 锂离子电池 4147 97.0% 3.0% -
LiFePO4 3612 98.3% 1.7% -
竞争器件 ±1% 锂离子电池 4342 93.6% 6.4 % 3.4 %
LiFePO4 3576 96.6% 3.4 % 1.7%
分立式 ±2% 锂离子电池 4298 86.8% 13.2% 10.2%
LiFePO4 3503 93.2% 6.8 % 5.1%
分立式 ±3.5% 锂离子电池 4232 75.5% 24.5% 21.5%
LiFePO4 3393 87.9% 12.1 % 10.4%
(1) 最小 Vbat 是指考虑到负端充电电压百分比时的最小充电电压。使用以下公式可以计算该值：最小 Vbat= VSOC(100%) *(1-2*CVA)，其中 VSOC(100%) 是与 100% SOC 相关的电压，CVA 是充电电压精度。
表 2-2 充电电压精度与电池容量损失间的关系（充电至 80% SOC 时，TI 设计与其他设计相比）
充电器设计 充电电压精度 电池 最小 Vbat (mV)(1) Vbat 时的容量 最大容量损失 与 TI 设计相比的容量损失
德州仪器 (TI) ±0.5% 锂离子电池 4111 75.8% 24.2% -
LiFePO4 3297 58.6% 41.4% -
竞争器件 ±1% 锂离子电池 4091 71.8% 28.2% 4.0%
LiFePO4 3263 30.6% 69.4% 28 %
分立式 ±2% 锂离子电池 4049 63.6% 26.4% 12.2 %
LiFePO4 3197 12.5% 87.5 % 46.1%
分立式 ±3.5% 锂离子电池 3987 47.2% 52.8% 28.6%
LiFePO4 3096 6.7 % 93.3% 51.9%
(1) 最小 Vbat 是指考虑到负端充电电压百分比时的最小充电电压。使用以下公式可以计算该值：最小 Vbat= VSOC(80%) *(1-2*CVA)，其中 VSOC(80%) 是与 80% SOC 相关的电压，CVA 是充电电压精度。

考虑到与其他电池化学物质相比，LiFePO4 电池已经具有较长的续航时间，由于该电池能量密度较低，大多数设计人员会将该电池充电至 100% SOC。而锂离子电池在充电至 80% SOC 时不会有明显的容量损失，因此对于设计人员来说，尝试将电池充电至 80% SOC 来保持锂离子电池续航时间是可行的。

然而，如果电池有任何闲置容量，则意味着设计人员必须购买更大的电池来满足其需求。这意味着，如果您的设计确实需要 10Whr 的电池来满足应用需求，并且您的设计由于充电电压不准确和/或为了保持电池续航时间而没有利用 15% 至 30% 的电池，则需要购买容量增加 15% 至 30% 的电池。而且，由于电池通常是系统中最昂贵的器件之一，因此，为了在电池充电器上节省几毛钱和/或延长电池续航时间而做出的权衡通常不会超过购买更大容量电池而产生的额外成本。此外，当考虑电池充电器设计可提供的附加功能时，一款好的充电器设计所带来的好处要大于所付出的成本。