陳吉宏 報告
專題報告
行動電話電池簡介
報告主題 :
名詞解釋
二次電池分類
特性比較
鋰離子電池特性與安全
結構/化學特性/充電特性/放電特性/壽命/溫度特性
自我放電特性/安全項目/安全管制者
鋰電池組的組成
overview/保護模組/二重保護裝置/
設計導入的幾點考量
電池的決定/充電的決定/截止判別/不同電池的判別/
放電問題/殼具問題
名詞解釋一
Capacity : 容量, 指電池在經過一個標準的充電程
序後,以一標準的放程序所能釋放出的能量. 單位為
mAh 或 Ah 或 Wh .
C : 容量電流,指電池在經過一個標準的充電程序後,
用以在一小時整放電 致一標準電壓所須的電流值.
一次電池 : 只能用一次的電池, 如碳鋅電池, 水銀
電池,鹼性電池…
二次電池 : 可重覆使用的電池, 如鎳氫電池,
鎳鎘電池, 鋰離子電池 …
名詞解釋二
CC/CV : Constant Current / Constant Voltage
定電流/定電壓, 鋰離子電池常用的充電方式之一.
記憶效應 : 鎳氫及鎳鎘電池在充電時的特殊現象.
當電池電量未被釋放完全時即進行充電動作, 此時
殘存的電量會在外加電壓的催化下使電池內部材料
發生逆反應,進而減低電池容量.
放電時,當電壓下降至前一次的啟始充電壓時,電壓
會急速下降.
NTC : 負溫度系數熱敏電阻.
CELL : 指未經任何組裝的電池,一般亦稱“電池芯”.
二次電池分類
依使用場合分類 :
車用, 醫療用, 工具用, 攜帶式電子設備用, 長效
備用….
依使用的材料分類 :
鉛酸電池, 鎳鎘電池, 鎳氫電池, 燃料電池, 鋰離
子電池, 鋰高分子電池, 鋅空氣電池 …
鋰離子電池的細分類 :
鋰錳, 鋰鈷 …
鋰高分子電池的細分類 :
多孔性固態高分子, 膠態高分子, 乾式固態高分子…
特性比較
CC/CV無差450~
850
800>75%700~
1500
120~
200
鋰高分子
Li-SPE
100
~180
70 ~
150
40 ~ 70
35~50
能量比
wh/kg
CC/CV無差350~
700
500>95%400~
800
鋰離子
Li-ion
複雜略可200~
350
700~
1400
>70%100~
250
鎳氫
Ni-MH
複雜嚴重良100~
300
500~
800
>75%600~
1200
鎳鎘
Ni-Cd
限電壓,
流
無優100~
500
300~
500
>80%150~
400
鉛酸
Pb/PbD
充電
方式
記憶
效應
耐過荷成本
$/kwh
循環壽
命
cycle
充放
效率%
功率比
W/kg
鋰離子電池特性與安全
結構 :
圓桶形
使用於容量較大電池
如18650size1800mAh
結構 :
角形
容量較小的電池內部無 PTC
鋰離子電池特性與安全
化學式: (鋰鈷)
charge
LiCoMO2 + Cn Li-xCoMO2 + CnLix
discharge
電壓過高 : 鋰離子與氧析出, 反應不可逆. 造成膨脹, 或氣閥沖開,
氣體中含氧氣,汽化電解液及離子化鋰金屬,極易燃.
電壓過低 : 1.鋰離子與碳安定結合,在內部形成阻抗及容量減低.
2.鋰離子形成安定的固態鋰金屬,容量減少,且易刺穿絕
緣層造成內部短路.
電流過大 : 1.充電電流大於反應吸收.多餘的電流轉成熱能.並在內部造成
局部電壓過高.可能引發過熱/膨脹等反應.
2.放電電流大於反應釋出.可能引發過熱及內部電壓過低.
鋰離子電池特性與安全
鋰的特性 :
1. 鋰原子外層電子數為1個,因趨8性使它易抓住另外的電子或釋放惟一
的電子.故用做儲能材料.
2. 鋰鈉鉀銣銫鍅系列為高活性物質,其中鋰金屬遇水會快速反應 , 效果接
近爆炸.
鋰離子電池特性與安全
充電特性 :
充電方式 : CC / CV
截止條件: 電流到達/時間到達
鋰離子電池特性與安全
不同充電電流 :
較大的充電電流易使鋰電池的使用壽命減短.
以約 0.2C 以下的充電效率最高及使用次數最多
一般以0.5 ~ 0.8C做為快充標準.
鋰離子電池特性與安全
放電特性 :
較小的電流可充份使用容量.
0 1 2 3 4 5 6
Discharge Time (hours)
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
V
o
l
t
a
g
e
(
V
)
140 mA
(725 mAh)
350 mA
(718 mAh)
700 mA
(701 mAh)
1400 mA
(678 mAh)
Charge: 0.2 C, 4.2 V, I<10 mA
Discharge: n C, 3 V cut off
Temp.: 23 C
n = 0.2, 0.5, 1, 2
o
鋰離子電池特性與安全
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Discharge C-rate
0
20
40
60
80
100
120
C
a
p
a
c
i
t
y
(
%
)
Charge: n C, 4.2 V, I<10 mA
Discharge: n C, 3 V cut off
Temp.: 23 C
n = 0.2, 0.5, 1, 2
o
100 %
99 %
97.9 %
87.6%
放電 :
不同放電電流在容量上的比較.
鋰離子電池特性與安全
LIFE CYCLE :
一般以1C充放500次之後,電池容量仍有新品80%為標準.
以較小放電電流,可以得到較長的使用壽命.
以較小的工作電壓區間,可以得到較長的使用壽命.
鋰離子電池特性與安全
鋰離子電池特性與安全
LIFE CYCLE :
可以用標準條件充放電幾次只是 “標準”.
用大電流充到飽/放到完會折損電池壽命,但可以較快量出電池性能.
我們關心的是使用者可使用的總時數.
每次都用50%就充電, 500次之後性能不會只有80%,而會更高.
溫度特性 :
放電時溫度的影響 :
電解液在-20度時已接近固態,此時做為傳導的特性變差.
整體電池活性在高溫時較活潑,可得稍大的放電量.
高溫會使電池壽命嚴重縮短.
電解液約60度時開始快速揮發,90度時開沸騰.
0.5C放電/溫度曲線 1C放電/溫度曲線
鋰離子電池特性與安全
放電時溫度的影響 :
不同放電速率及溫度對容量曲線
鋰離子電池特性與安全
自我放電特性 :
自我放電路徑主要來自併聯等效電阻,而此一阻值隨著電池內的電量
的下降成指數型升高.
儲放前的容量越高,同樣時間內的自的放電率越高.
電池等效電路
不同啟始電量在儲放30天後
自我放電的電量佔啟始電量百比
01
23
45
67
89
1011
12
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
啟始電量100%
放
電
佔
啟
始
電
量
比
1
0
0
%
鋰離子電池特性與安全
安全項目 :
限制充電電壓上限
限制放電電壓下限
限制使用電流
限制充電電流
限制使用溫度
鋰離子電池特性與安全
安全項目 :
以 6V/900mA 對 043048 電池充電的效果 :
鋰離子電池特性與安全
安全管制者 :
使用者:不近水,火,熱,不拆,不短路,不他用,使用特定充電器.
手機:管制最大使用電流,最低使用電壓,及使用溫度.
充電器:管制最大充電電流,最高充電電壓,充電時間,使用溫度.
電池模組:在上三者失效時,提供過高電壓/過低電壓/過大電流
之保護;必要時使用第二保護裝置,提供過電流/過溫保護.
電池芯:所有保護失效時,對安全項目提供安全閥保障.
鋰離子電池特性與安全
電池組的組成
保護模組的組成 :
保護迴路 : 提供過充電,過放電,過大電流之保護.
ID : 識別裝置,用以讓手機及充電器知道目前操作中之電池類別.
測溫器 : 一般使用 NTC ,提供手機及充電器目前操作中之溫度.
二重保護裝置 :
在使用者,手機,充電器,保護迴路等保護均失效時提供保護之裝置.
常用的二重保護裝置 :
LITTLE FUSE : 電流啟動.
THERMAL FUSE : 溫度及電流啟動.
PTC / POLY SWITCH : 溫度及電流啟動, 可回復.
THERMAL CONTROL :溫度及電流啟動, 可回復.
電池組的組成
保護迴路例/基本型 :
R1
100
Q1
NF216/FTD2017
3
2
8
7
6
5
1
4
S/A
S/A
D/B
S/B
S/B
G/B
D/A
G/A
BT1
053048
R4
NTC10K
F1
PloySwitch VLR230
C5
0.01uF
C4
0.01uF
C3
0.1uF
C1
0.1uF
C6
0.1uF
R2
2.7K
U1 M
D
1
6
0
B
1
3
32
6 5
1
4
C
H
G
I
D
T
G
N
D
V
c
c
D
C
H
T
R3
100K
C2
0.1uF
BAT-BAT-
BAT+ BAT+
P-
NTC
P +
IDR
T1
T5
T4
T3
T2
電池組的組成
電池組的組成
保護迴路例/附電壓偵測 :
R10
NTC10K
R7
10k
R8
2.55K0.1%
R4
2K
R3 270
R6
10K
R9
1.07K0.1%
C3
0.1uF
C2
0.1uF
Q2
BC848
R5 18K
D1
UDZ20B
U2
lmv431bcm5x
3 2
5
1
4
C
a
t
h
N
C
A
n
o
d
e
N
C
R
e
f
R1
470
Q1
FTD2017
3
2
8
7
6
5
1
4
S/A
S/A
D/B
S/B
S/B
G/B
D/A
G/A
BT1
GS LP423048C
F1
PloySwitch VTP175U
C1
0.1uF
R2
1K
U1
S8241-AAQ
3 2
5
1
4
V
S
S
V
D
D
C
O
V
M
D
O
Q3
MMBF2202PT1
1
3
2
P +
Verror
NTC
P-
BAT+
BAT-
BAT+
BAT-
常用二重保護裝置 :
LITTLE FUSE :
保險絲.使用電流超出規格時斷開,不可回覆.
電池組的組成
常用二重保護裝置 :
Thermal Fuse :
溫度保險絲.使用電流超出規格時斷開,
或溫度超出規格時斷開,不可回覆.
電池組的組成
常用二重保護裝置 :
Poly switch / PTC :
聚合物保險絲. 使用電流超出規格時斷開,
或溫度超出規格時斷開, 狀況解除後可自動回覆.
電池組的組成
設計導入的考量
設計電池組之前的幾個問題 :
電池種類 : 鋰離子/鋰聚合物/鎳氫/鎳鎘.
充放電條件 : 決定保護點的設定.
二重保護方式 : 決定最終保護方式.
偵溫器種類 : 決定NTC的值或其他方式.
識別裝置 : 決定各種不同電池的識別方式.
特別設計 : 以sysol2為例,須增加電壓偵測.
殼具設計 : 決定尺寸,結合方式.
決定電池種類的考量 :
待機時間,通話時間 : 一般黑白GSM系統使用600mAh電池
即足夠.彩色GPRS至少須700mAh的電池.
電壓範圍 : 一般手機操作3.3~4.2V即足夠;但若為smart
phone或特殊要求,則電壓範圍可能不同.
操作限制 : 若要求-20度要能開機,則polymer電池較不適用.
外觀尺寸,重量 : 鎳氫/鎳鎘電池較鋰電池為大且重.
安全性 : 手機常用的電池,以鋰離子安全性最差.
價格 : 鎳氫電池較鋰電池便宜.
廠牌,品質 : 鋰電目前仍以sanyo為領導廠商.
共用性 : 公司政策,要使零件數減少.目標是DBTEL手機都可
以共用同一顆電池.
設計導入的考量
決定充電條件的考量 :
充電模式 : 以 CC/CV 為一般常用方式.
充電時間 : 一般以3小時內充電 95% 為標準.
充電電流 : 0.5~0.8C為快充.若考量使用壽命應避免超過1C充電.
充電電壓 : 4.2+/-0.05V,一般充電迴路並不精準,故須稍微降低.
低電壓充電 : 電池電壓低於2.5V時,應先以小於0.2C的電流充電,
並計算時間,若於1小時內無法使電池電壓達3.0V以上,應放棄
充電,以免危險.若可以充電至3.0V,則轉成一般充電模式.
維持充飽的方法 :
1.循環充電:偵測電壓低於設定值時,重新啟動充電功能.
2.脈波充電:每隔一段時間即對電池做一短時間充電.
3.持續加壓:不關閉充電器,使電池永遠保持在4.2V,這種做法對
電池的傷害較大,不建議使用.
設計導入的考量
充電截止的偵測 :
電流方式 : 偵測電流小於某一值即停止充電.
時間方式 : 1.偵測由CC轉CV後某一時間即停止充電.
2.固定時間截止.(對電池較不好)
固定CV時間
小於設定電流
固定時間
設計導入的考量
不同電池的判別方式 :
目的 : 讓手機及充電器決定充電上限電壓及截止方式.
讓手機及充電器決定充電電流.
讓手機及充電器決定充電時間.
讓手機決定顯示電池格數.
讓手機決定限制電池使用.
EEPROM : 如MOTOROLA , ERICSSON 使用1 Wire interface
EEPROM記錄電池各項記錄及版權宣告.
ID RESISTANCE : 以一顆固定電阻做為不同電池的識別.
手機內部一般以分壓方式偵測該電阻值.
座充一般直接用該電阻在電流/電壓設定迴路中.
設計導入的考量
放電問題 :
鎳鎘,鎳氫電池須在每次充電前先將電量放完.
鋰電池不須要先放電再充電.
鋰電池用到完全沒電再充反而對電池不好.
手機的最大瞬間電流/時間 :
用以決定過電流保護的值,且須考慮手機在劣化後的
最大值.
放電終止電壓:軟體在3.3V時會依程序關閉手機.但當電壓於
3.0V時手機硬體會 shut. 所以在低電壓時使用手機,路徑阻抗
就變得重要.
例 : 電池阻抗160m Ω,接點及路徑阻抗40mΩ.發射瞬間須1A電流
(160m+40m)*1=0.2V Æ電池在 3.5V時使用即可能關機.
設計導入的考量
殼具設計的考量:
氣密:鋰電池規定不可完全氣密,但有防水的流行.
結合:膠合,超音波鉚合, 膠帶綑包,螺絲,卡勾,
覆合式…
伸縮:鋰電池在充飽與低電量時的體積略有不同.
彈片:位置,尺寸,鍍金厚度,阻抗等須考慮.
與手機結合:晃動的克服為第一要務.
環測:材料,色料及結合點須能通過各項環測,包括溫
度,溼度,震動,UV,油水侵蝕,磨擦,落下,壓力…
設計導入的考量
設計導入的考量
其他設計上的考量:
接點鍍金:connector 鍍金厚度要求為30uinch.
PCB做為接點的鍍金厚度要求為 20uinch.
未要求的PCB鍍金,厚度為5uinch.不適用於電池接觸點.
電池格數顯示考量因素 :
1.使用者心理因素為主要考量.
2.劣化之預估:各家電池劣化曲線不同.但都是放電斜率變大.
這會使得0~1格及滿格的時間隨著電池壽命變短.
3.0格時間長短:較短的0格時間,易在通話時斷電.
較長的0格時間,易讓使用者誤認待機時間短.
較長的0格時間,可以讓使用者提早充電而延長壽命.
4.彈性:通話中電壓會下降,通話結束後電壓會再慢慢回升.所以不適
合以一個電壓點做為格數切換的依據.
5.初期效能的感覺及對長期壽命的感覺在設計理念上是相反的.
使用上的問題
使用習慣 :
1.習慣在1~2格時充電的使用者,較用到0格才充電的使用者,可得
較多的總使用時數.
2.電池怕熱:夏天在車內烤一天,可抵過用一個月.
3.接點怕磨:拆裝電池頻繁會使接點劣化,會在通話中出現雜音,
並使阻抗增加進而降低時用時間.
4.電池怕亂充:鋰電充電條件嚴格,很多爆炸案是在雜牌
充電座上發生的.
5.不用放電:鋰電充電前不用先放完電.
6.不用冰:網路上流傳放冷凍庫可以救電池.但主要是因為休息時
間夠,材料重新均勻擴散.低溫不會使安定的材料重新活化.
7.不用活化:網路上流傳新電池要先充到最飽再全部放完幾次稱
為活化.實際上鋰電池並不用這樣,早期的鎳氫/鎳鎘才須要.
8.膨脹:發現電池有膨脹現象時,應即停用.
使用上的問題
使用習慣 :
9. 千萬不要拆,我們只有在防爆箱內才會做破壞實驗.
10. 保存:長期不用的電池先用到0~1格,包進密封袋內放冷藏.
11.廢棄處理:環保署廢管處業務一組負責乾電池回收,業務三組
負責铅酸電池回收.鋰電池有扣環保稅.
討論事項
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