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1、專題報告,行動電話電池簡介,陳吉宏 報告,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
2、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
3、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,能量比wh/kg,功率比W/kg,充放效率%,循環壽命cycle,成本$/kwh,耐過荷,記憶效應,充電方式,鉛酸,3550,150,80%,300,100,優,無,限電壓,Pb/PbD,400,500,500,流,鎳鎘Ni-Cd鎳氫Ni-MH鋰離子Li-ion鋰高分子Li-SPE,40 7070 150100180120200,600120010
4、02504008007001500,75%70%95%75%,5008007001400500800,100300200350350700450850,良可差差,嚴重略無無,複雜複雜CC/CVCC/CV,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,鋰離子電池特性與安全,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:
5、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
6、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.,Voltage(V),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.4.5Charge:0.2 C,4.2 V,I10 mADischarge:n C,3 V cut offTemp.:23 oC,4.03.53.0,n=0.2,0.5,1,2,2.5,1400 mA 700 mA(678 mAh)(701 mAh),350 mA(718 mAh),140 mA(725 mAh),0,1,2,3,4,5,6,Discharge Time(hour
7、s),Capacity(%),鋰離子電池特性與安全放電:不同放電電流在容量上的比較.120,10080,100%,99%,97.9%,87.6%,6040,20,Charge:n C,4.2 V,I10 mADischarge:n C,3 V cut offTemp.:23 oC,n=0.2,0.5,1,20,0.0,0.5,1.0,1.5,2.0,Discharge C-rate,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
8、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.,鋰離子電池特性與安全溫度特性: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,放電佔啟始電量比100%,12
9、,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,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100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0啟始電量100%,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
10、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.,電池組的組成,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
11、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.,6,5,4,DCHGND,IDTVcc,CHG,T,MD160B13,1,2,3,電池組的組成保護迴路例/基本型:,BAT+,BAT+,P+,R1100T1F1PloySwitch VLR230IDR,BT1053048BAT-,BAT-,C10.1uFC30.1uF,T2,5678,U1Q1G/B G/AS/B S/AS/B S/AD/B D/
12、A,4321,T4,T3,R22.7K,C20.1uF,R3100K,C60.1uF,R4NTC10K,NTCP-,NF216/FTD2017T5,C40.01uF,C50.01uF,3,2,1,DOVSS,VDD,COVM,4,5,3,2,1,4,RefCath,NC,AnodeNC,5,電池組的組成保護迴路例/附電壓偵測:,BAT+,BAT+,R1470,UDZ20B,D1,R710k,P+,BT1GS LP423048C,MMBF2202PT1,23,1Q3,R3 270,U1S8241-AAQ,R82.55K0.1%,Verror,C3,R4,R5 18K,Q2BC848,F1Ploy
13、Switch VTP175U,C10.1uF,0.1uF,2K,U2,R21K,lmv431bcm5x,R610K,C2,R10,NTC,R9,0.1uF,NTC10K,BAT-,BAT-,5678,Q1G/B G/AS/B S/AS/B S/AD/B D/A,4321,1.07K0.1%,P-,FTD2017,電池組的組成,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 swi
14、tch/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.,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.,設計導入的考量,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3.34.2V即足夠;但若為s
15、mart,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:0.50.8C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
16、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
17、),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
18、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,接點及路徑阻抗40m.發射瞬間須1A電流,(160m+40m)*1=0.2V 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
19、,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,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01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
20、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12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01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,請您提供寶貴的意見.,謝謝!,謝謝!,
