ZHCACX2 july 2023 BQ24630 , BQ25170 , BQ25180 , BQ25300 , BQ25620 , BQ25730 , BQ25798
2 充電曲線以及 SOC 與 OCV 間的關(guān)系
LiFePO4 電池和鋰離子電池的充電曲線相同，如圖 2-1 所示。該充電曲線是標準的預(yù)充電、CC 和 CV 充電曲線，但由于 LiFePO4 電池和鋰離子電池具有不同的電壓曲線，因此充電曲線中的這些階段在不同的電壓下發(fā)生。對于鋰離子電池，VOREG≈ 3.9V 至 4.2V，VPrecharge ≈ 3.0V，VShort ≈ 2.0V。對于 LiFePO4 電池，VOREG ≈ 3.5V 至 3.65V，VPrecharge ≈ 2.0V，VShort ≈ 1.2V。
此外，LiFePO4 電池和鋰離子電池的充電率相似，但鋰離子電池的放電率通常為 1C，而 LiFePO4 電池的放電率則為 3C。這使得 LiFePO4 非常適合更高電流的應(yīng)用。
圖 2-1 標準 CC/CV 充電曲線
LiFePO4 電池和鋰離子電池的另一個主要區(qū)別是它們的 SOC（充電狀態(tài)）與 OCV（開路電壓）曲線。如圖 2-2 所示，鋰離子電池的 SOC 與 OCV 曲線具有相當高的線性度，而 LiFePO4 電池在大約 85% 至 100% 的 SOC 范圍內(nèi)具有相當高的線性度，但在大約 10% 至大約 85% 的 SOC 范圍內(nèi)，斜率會出現(xiàn)突變。當選擇一項設(shè)計中所需的充電電壓精度和電池將要充電到的 SOC 時，這一點顯得尤為重要 [1]。
[1] 設(shè)計人員可以選擇以較低 SOC 為電池充電，以減少因陽極上石墨分解而導致的容量降額。
圖 2-2 鋰離子電池 SOC 與 OCV 曲線
圖 2-3 LiFePO4 電池 SOC 與 OCV 曲線
充電電壓的微小誤差可能會導致很大一部分電池容量閑置，當設(shè)計人員決定嘗試通過將電池充電至低于 100% 的 SOC 來保持電池續(xù)航時間時尤其如此。表 2-1 和表 2-2 顯示了鋰離子電池和 LiFePO4 電池由于充電電壓誤差而可能損失的電池容量，從而很好地說明了這一點。表 2-1 說明了充電至 100% SOC 時的情況，而表 2-2 說明了充電至 80% SOC 時的情況。
為了說明如何得出表 2-1 和表 2-2 的結(jié)果，我們以表 2-1 為例進行說明。當設(shè)計人員使用充電電壓調(diào)節(jié)精度為 +/-2% 的充電設(shè)計為鋰離子電池充電時，如果設(shè)計目標是不讓電池電壓超過充電電壓的 100%，那么考慮到 +2% 的容差，需要將充電電壓設(shè)置為 98%。因此，考慮到負端充電電壓精度，最小 Vbat 可以是最大充電電壓的 96%。這樣一來，在充電電壓精度為 ±2% 的情況下，電池充電電壓可能會低于最大充電電壓的 4%，這會導致高達 13.2% 的電池容量閑置。
如表 2-1 所示，即使充電電壓精度為 ±0.5%，也會導致電池容量損失 3%。這只會隨著充電電壓精度的降低而成倍增加。通過對比 LiFePO4 電池與鋰離子電池可以發(fā)現(xiàn)，LiFePO4 電池在充電至 100% SOC 時性能更好，因為與鋰離子電池相比，LiFePO4 電池的 SOC 與 OCV 曲線在 SOC 較高時的斜率更小。
然而如表 2-2 所示，將 LiFePO4 電池充電至 80% SOC 以保持電池續(xù)航時間的做法基本不切實際。即使充電電壓精度為 ±0.5%，也會損失高達 41.4% 的電池可用容量。如果您決定將電池充電至 80% SOC，那么除了 20% 的電池壽命損失外，還會再損失 21.4% 的電池壽命。
| 充電器設(shè)計 | 充電電壓精度 | 電池 | 最小 Vbat (mV)(1) | Vbat 時的容量 | 最大容量損失 | 與 TI 設(shè)計相比的容量損失 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 德州儀器 (TI) | ±0.5% | 鋰離子電池 | 4147 | 97.0% | 3.0% | - |
| LiFePO4 | 3612 | 98.3% | 1.7% | - | ||
| 競爭器件 | ±1% | 鋰離子電池 | 4342 | 93.6% | 6.4 % | 3.4 % |
| LiFePO4 | 3576 | 96.6% | 3.4 % | 1.7% | ||
| 分立式 | ±2% | 鋰離子電池 | 4298 | 86.8% | 13.2% | 10.2% |
| LiFePO4 | 3503 | 93.2% | 6.8 % | 5.1% | ||
| 分立式 | ±3.5% | 鋰離子電池 | 4232 | 75.5% | 24.5% | 21.5% |
| LiFePO4 | 3393 | 87.9% | 12.1 % | 10.4% |
| 充電器設(shè)計 | 充電電壓精度 | 電池 | 最小 Vbat (mV)(1) | Vbat 時的容量 | 最大容量損失 | 與 TI 設(shè)計相比的容量損失 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 德州儀器 (TI) | ±0.5% | 鋰離子電池 | 4111 | 75.8% | 24.2% | - |
| LiFePO4 | 3297 | 58.6% | 41.4% | - | ||
| 競爭器件 | ±1% | 鋰離子電池 | 4091 | 71.8% | 28.2% | 4.0% |
| LiFePO4 | 3263 | 30.6% | 69.4% | 28 % | ||
| 分立式 | ±2% | 鋰離子電池 | 4049 | 63.6% | 26.4% | 12.2 % |
| LiFePO4 | 3197 | 12.5% | 87.5 % | 46.1% | ||
| 分立式 | ±3.5% | 鋰離子電池 | 3987 | 47.2% | 52.8% | 28.6% |
| LiFePO4 | 3096 | 6.7 % | 93.3% | 51.9% |
考慮到與其他電池化學物質(zhì)相比，LiFePO4 電池已經(jīng)具有較長的續(xù)航時間，由于該電池能量密度較低，大多數(shù)設(shè)計人員會將該電池充電至 100% SOC。而鋰離子電池在充電至 80% SOC 時不會有明顯的容量損失，因此對于設(shè)計人員來說，嘗試將電池充電至 80% SOC 來保持鋰離子電池續(xù)航時間是可行的。
然而，如果電池有任何閑置容量，則意味著設(shè)計人員必須購買更大的電池來滿足其需求。這意味著，如果您的設(shè)計確實需要 10Whr 的電池來滿足應(yīng)用需求，并且您的設(shè)計由于充電電壓不準確和/或為了保持電池續(xù)航時間而沒有利用 15% 至 30% 的電池，則需要購買容量增加 15% 至 30% 的電池。而且，由于電池通常是系統(tǒng)中最昂貴的器件之一，因此，為了在電池充電器上節(jié)省幾毛錢和/或延長電池續(xù)航時間而做出的權(quán)衡通常不會超過購買更大容量電池而產(chǎn)生的額外成本。此外，當考慮電池充電器設(shè)計可提供的附加功能時，一款好的充電器設(shè)計所帶來的好處要大于所付出的成本。