自鋰電池問世以來，圍繞它的研究、開發(fā)工作一直不斷地進(jìn)行著，上世紀(jì)90年代末又開發(fā)出鋰聚合物電池，2002年后則推出磷酸鐵鋰電池。

鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜組成。正、負(fù)極及電解質(zhì)材料不同及工藝上的差異使電池有不同的性能，并且有不同的名稱。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO2），另外還有少數(shù)采用氧化錳鋰（LiMn2O4）及氧化鎳鋰（LiNiO2）作正極材料的鋰離子電池，一般將后兩種正極材料的鋰離子電池稱為“鋰錳電池”及“鋰鎳電池”。新開發(fā)的磷酸鐵鋰電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料作電池正極的鋰離子電池，它是鋰離子電池家族的新成員。

一般鋰離子電池的電解質(zhì)是液體的，后來開發(fā)出固態(tài)及凝膠型聚合物電解質(zhì)，則稱這種鋰離子電池為鋰聚合物電池，其性能優(yōu)于液體電解質(zhì)的鋰離子電池。

磷酸鐵鋰電池的全名應(yīng)是磷酸鐵鋰鋰離子電池，這名字太長，簡稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動力方面的應(yīng)用，則在名稱中加入“動力”兩字，即磷酸鐵鋰動力電池。也有人把它稱為“鋰鐵（LiFe）動力電池”。

1  采用LiFePO4材料作正極的意義

目前用作鋰離子電池的正極材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。這些組成電池正極材料的金屬元素中，鈷（Co）最貴，并且存儲量不多，鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜，而鐵（Fe）最便宜。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是最便宜的。它的另一個特點(diǎn)是對環(huán)境無污染。

作為充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)定性能、使用中安全（不會因過充電、過放電及短路等操作不當(dāng)而引起燃燒或爆炸）、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環(huán)境無污染。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯，特別在大放電率放電（5～10C放電）、放電電壓平穩(wěn)上、安全上（不燃燒、不爆炸）、壽命上（循環(huán)次數(shù)）、對環(huán)境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動力電池。

2  LiFePO4電池的結(jié)構(gòu)與工作原理

LiFePO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。

LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過程中，負(fù)極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

3  LiFePO4電池主要性能

LiFePO4電池的標(biāo)稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個生產(chǎn)廠家采用的正、負(fù)極材料、電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同，其性能上會有些差異。例如同一種型號（同一種封裝的標(biāo)準(zhǔn)電池），其電池的容量有較大差別（10%～20%）。

磷酸鐵鋰動力電池主要性能列于表1。為了與其他可充電電池的相比較，也在表中列出其他種類可充電電池性能。這里要說明的是，不同工廠生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動力電池在各項(xiàng)性能參數(shù)上會有一些差別；另外，有一些電池性能未列入，如電池內(nèi)阻、自放電率、充放電溫度等。

磷酸鐵鋰動力電池的容量有較大差別，可以分成三類：小型的零點(diǎn)幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數(shù)也有一些差異。這里再介紹一種目前應(yīng)用較廣的小型標(biāo)準(zhǔn)圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數(shù)。其外廓尺寸：直徑為18mm、高650mm（型號為18650），其參數(shù)性能如表2所示。

4  過放電到零電壓試驗(yàn)

采用STL18650（1100mAh）的磷酸鐵鋰動力電池做過放電到零電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天；存放到期后再用0.5C充電率充滿，然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別。

試驗(yàn)的結(jié)果是，零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏，性能良好，容量為100%；存放30天后，無泄漏、性能良好，容量為98%；存放30天后的電池再做3次充放電循環(huán)，容量又恢復(fù)到100%。

這試驗(yàn)說明該電池 即使出現(xiàn)過放電（甚至到0V），并存放一定時間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。 

5  磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)

通過上述介紹，LiFePO4電池可歸納下述特點(diǎn)。

高效率輸出：標(biāo)準(zhǔn)放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電（10S）可達(dá)20C；

高溫時性能良好：外部溫度65℃時內(nèi)部溫度則高達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時溫度可達(dá)160℃，電池的結(jié)構(gòu)安全、完好；

即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性最好；

極好的循環(huán)壽命，經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%；

過放電到零伏也無損壞；

可快速充電；

低成本；

對環(huán)境無污染。

6  磷酸鐵鋰動力電池的應(yīng)用

由于磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點(diǎn)，并且生產(chǎn)出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地應(yīng)用。它主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

大型電動車輛：公交車、電動汽車、景點(diǎn)游覽車及混合動力車等；

輕型電動車：電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等；

電動工具：電鉆、電鋸、割草機(jī)等；

遙控汽車、船、飛機(jī)等玩具；

太陽能及風(fēng)力發(fā)電的儲能設(shè)備；

UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈（安全性最好）；

替代照相機(jī)中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池（尺寸完全相同）；

小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。

這里舉一個用磷酸鐵鋰動力電池替代鉛酸電池的應(yīng)用實(shí)例。采用36V/10Ah（360Wh）的鉛酸電池，其重量12kg，充一次電可行走約50km，充電次數(shù)約100次，使用時間約1年。若采用磷酸鐵鋰動力電池，采用同樣的360Wh能量（12個10Ah電池串聯(lián)組成），其重量約4kg，充電一次可行走80km左右，充電次數(shù)可達(dá)1000次，使用壽命可達(dá)3～5年。雖然說磷酸鐵鋰動力電池的價格較鉛酸電池高得多，但總的經(jīng)濟(jì)效果還是采用磷酸鐵鋰動力電池更好，并且在使用上更輕便。

隨著移動計(jì)算技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，微型移動終端設(shè)備在移動數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及個人信息服務(wù)等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。鋰電池因其體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，近年來已經(jīng)成為微型移動終端設(shè)備的首選電源。鋰電池的特性以及應(yīng)用環(huán)境的需求，對微型移動終端設(shè)備充電方案的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此在充電方案的設(shè)計(jì)中需要綜合考慮成本、體積、噪聲、效率等因素。

LTC4065是一款用于單節(jié)鋰電池的完整恒定電流／恒定電壓線性充電管理芯片，可提供高達(dá)750 mA且準(zhǔn)確度為5％的可設(shè)置的充電電流，并支持直接使用USB端口對單節(jié)鋰電池進(jìn)行充電。同時其熱反饋功能可調(diào)節(jié)充電電流，以便在大功率工作或高環(huán)境溫度條件下對芯片溫度加以限制，確保安全工作。由于采用了內(nèi)部MOSFET架構(gòu)，因此無需使用外部檢測電阻器或隔離二極管。很少的外部元件數(shù)目加上其2 mm×2 mm DFN封裝，使得LTC4065尤其適合無線PDA、蜂窩電話、無線傳感器終端等應(yīng)用。功能齊全的LTC4065還包括自動再充電、低電池電量充電調(diào)節(jié)、軟啟動等豐富功能。

1 LTC4065的引腳功能

LTC4065采用了熱處理能力較強(qiáng)的6引腳小外形封裝(DFN)，且實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品無鉛化，底部采用裸露襯墊，直接焊接至PCB以實(shí)現(xiàn)電接觸和額定散熱性能。

各引腳功能如下：

引腳1，GND，接地端。

引腳2，CHRG，漏極開路充電狀態(tài)輸出。充電狀態(tài)指示引腳具有三種狀態(tài)：下拉、2 Hz脈動和高阻抗?fàn)顟B(tài)。該輸出可以被用作一個邏輯接口或一個LED驅(qū)動器。對電池進(jìn)行充電時，有一個內(nèi)部N溝道MOSFET將GHRG引腳拉至低電平。當(dāng)充電電流降至全標(biāo)度電流的10％時，CHRG引腳被強(qiáng)制為高阻抗?fàn)顟B(tài)。如果電池電壓處于2．9 V以下的持續(xù)時間達(dá)到充電時間的1／4，則認(rèn)為電池失效，而且CHRG引腳將以2 Hz的頻率脈動。

引腳3，BAT，充電電流輸出。該引腳向電池供應(yīng)充電電流，并將最終浮動電壓調(diào)節(jié)至4．2 V。該引腳上的一個內(nèi)部精確電阻分壓器負(fù)責(zé)設(shè)定此浮動電壓，并在停機(jī)模式時斷接。

引腳4，VCC，正輸入電源。該引腳向充電器供電。VCC的變化范圍是3．75～5．5 V。該引腳應(yīng)通過一個最小1μF的電容器進(jìn)行旁路。當(dāng)VCC處于BAT引腳電壓的32 mV以內(nèi)時，LTC4065進(jìn)入停機(jī)模式，從而使IBAT降至約1μA。

引腳5，EN，使能輸入引腳。把該引腳拉至手動停機(jī)門限(一般為O．82 V)以上，將把LTC4065置于停機(jī)模式。在停機(jī)模式中，LTC4065的電源電流低于20μA。使能為缺省狀態(tài)，但不用時應(yīng)將該引腳連至GND。

引腳6，PROG，充電電流設(shè)置和充電電流監(jiān)視引腳。充電電流是通過連接一個精度為1％的接地電阻器RPROG來設(shè)置的。 

2 工作原理

LTC4065主要是為實(shí)現(xiàn)對單節(jié)電池充電而設(shè)計(jì)的線性電池充電管理芯片。該芯片利用其內(nèi)部功率MOSFET對電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。充電電流可利用外部電阻編程設(shè)定，最大充電可達(dá)750 mA。LTC4065包含一個漏極開路狀態(tài)指示輸出端：CHRG通過下拉、2 Hz脈動和高阻抗三種狀態(tài)來指示充電狀態(tài)以及電池失效。如果芯片結(jié)溫試圖升至約115℃的預(yù)設(shè)值以上，一個內(nèi)部熱限制電路將減小設(shè)定的充電電流。不僅可防止LTC4065過熱，也使用戶可以最大限度地利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心因過熱而損壞芯片或外部元件。這樣，用戶在設(shè)計(jì)充電電流時，可以不用考慮最壞情況，而只根據(jù)典型情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谧顗那闆r下，LTC4065會自動降低充電電流。

當(dāng)VCC引腳上電壓超過3．6 V且比BAT引腳電壓高出約80 mV時，LTC4065開始對電池充電，CHRG引腳輸出低電平，表示充電正在進(jìn)行。如果BAT引腳電壓低于2．9 V，則充電器進(jìn)入涓流充電模式，芯片利用1／10的設(shè)定充電電流對電池進(jìn)行預(yù)充電，以便將電池電壓提升至一個適合充電的安全電平。當(dāng)BAT引腳電壓超過 4．1 V時，因?yàn)殡姵匾呀咏鼭M容量，芯片進(jìn)入快速充電恒流模式對電池充電。充電電流大小由PROG引腳和GND之間的電阻器設(shè)定。電池充電電流是PROG引腳輸出電流的1 000倍。當(dāng)BAT引腳電壓接近最終浮動電壓(4．2 V)時，充電電流逐漸減小，LTC4065進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到全標(biāo)度充電電流的10％時充電周期結(jié)束，一個內(nèi)部比較器將關(guān)斷在CHRG引腳上的N溝道MOSFET，該引腳呈高阻態(tài)。如果將EN引腳電壓拉至停機(jī)門限(約為O．82 V)以上，充電將被禁止。把PROG引腳懸浮同樣能禁止充電，在停機(jī)模式中，電池漏電流降至1μA以下，電源電流降至約20μA。

3 應(yīng)用電路

在本實(shí)驗(yàn)室無線醫(yī)護(hù)管理系統(tǒng)項(xiàng)目中，無線通信終端設(shè)備的充電電路設(shè)計(jì)采用了基于LTC4065的方案，電路如圖2所示。 

LTC4065的電壓輸入端VCC所允許的輸入電壓在3．75～5．5 V之問。目前市場上的5 V穩(wěn)壓電源的輸出電壓一般并不穩(wěn)定，很多時候會超過6 V而給充電帶來不良影響。LTC4065內(nèi)部具有穩(wěn)壓電路能夠起到一定的穩(wěn)壓作用，一般應(yīng)用情況下可直接連接穩(wěn)壓電源。如果應(yīng)用需求較高，也可在VCC的前級加一個1 A的三端穩(wěn)壓電源芯片。在圖2所示電路中，將VCC直接接至穩(wěn)壓電源，鋰電池通過一個線性穩(wěn)壓芯片SG2003為工作電路提供電源。

權(quán)衡電路工作的穩(wěn)定性與充電時間，充電電路采用300 mA充電電流。因此，為了保證良好的穩(wěn)定性和溫度特性，R采用了3．3 kΩ精度為1％的金屬膜電阻。LTC4065的漏極開路狀態(tài)指示輸出端CHRG串接了一個510 Ω電阻和一個發(fā)光二極管，再接到VCC上，用來指示充電狀態(tài)。為保證充電器正常工作，本電路在BAT電池端和GND間連接一個1μF的去耦電容。為了能夠輸出最大的充電電流，要求將LTC4065背面裸露的金屬板焊接到金屬線路板地端的銅片上，以達(dá)到最大的散熱性能；否則，芯片熱阻將增大，導(dǎo)致能夠輸出的最大充電電流減小。

結(jié) 語

鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)是一個平衡的考慮，一方面要提供較大的充電電流以縮短充電時間，另一方面充電電路的尺寸必須足夠小以符合微型移動終端設(shè)備體積日益縮小的趨勢。應(yīng)用LTC4065芯片僅需要非常少的外圍元件配合，就可以實(shí)現(xiàn)低成本的單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電方案。不僅電路尺寸十分小，而且可根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置充電電流以控制充電時間，非常適合于微型移動終端設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)。采用本方案的無線醫(yī)護(hù)管理系統(tǒng)終端設(shè)備已投入批量生產(chǎn)。本文的電路設(shè)計(jì)方法對采用其他充電芯片進(jìn)行的電路設(shè)計(jì)也有很好的參考價值。