行動電源安全隱憂!電池原理與安全性探究:金屬鋰活性高,做好防護才是好產品

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讓專業的USB-IF來

瞭解了政府奇怪的測試電量方式後,來談談負責制定USB充電規範的USB-IF相關標準。負責制定USB相關標準的USB-IF,在2011年10月12日發佈了Battery Charging 1.2規範,其中定義了充電時的USB埠電壓波動和電流輸出能力,以及裝置之間該如何得知目前連接的USB埠的電流輸出能力。

在標準中,供電的USB埠電壓必須在5V±5%之間,也就是4.75V~5.25V之間。充電電流方面則因USB埠的角色不同,而有500mA和1500mA的差異。一般的電腦USB埠在BC 2.1內稱為SDP(Standard Downstream Port),提供與原始的USB規範相同的500mA電流輸出能力。另外2種USB埠的角色稱之為CDP(Charging Downstream Port)和DCP(Dedicated Charging Port),這2者皆可提供1500mA的電流,差異在於CDP還可同時傳輸資料,也就是SDP的電流加強版,DCP則是專門提供充電的USB埠,譬如直接插上牆上插座的USB變壓器,不提供資料交換傳輸的功能。在CDP和DCP的電壓規範中,過沖(overshoot)和下沖(undershoot)更是不能超過6.0V和低於4.1V。

待充裝置對供電能力的判斷

有了電壓電流規範,那麼待充電裝置(Portable Device)該如何得知目前這個插入的USB埠是SDP、CDP、還是DCP呢?在Portable Device裝置插入時,會在Data+上輸入0.5V~0.7V的電壓,接著檢測Data-的電壓;如果Data-的電壓和Data Detect Voltage(0.25V~0.4V)相比起來比較低,則代表這個USB埠為SDP,只能汲取500mA的電流;如果Data-比起Data Detect Voltage還要高,則表示此USB埠為CDP或是DCP,可汲取1500mA的電流,但實際上是CDP或是DCP則需再進一步檢測(CDP利用邏輯電路將Data-饋入0.5V~0.7V的電壓,DCP則是直接利用1個最高200歐姆的電阻直接將Data+和Data-短路)。

接下來Portable Device為了進一步得知此USB埠為CDP或是DCP,會將Data-的電壓拉高至邏輯高電壓2.0V~3.6V,接著再看看另外1根Data+的電壓,如果電壓也拉高了,代表此USB埠為DCP;電壓沒有拉高,則表示此USB埠為CDP。

行動電源安全隱憂!電池原理與安全性探究:金屬鋰活性高,做好防護才是好產品

Battery Charging Specification 1.2和先前的1.1版有著細部上判斷的不同,本文敘述以1.2版簡化為主。

充放電循環正確計算

由於鋰離子電池不會有記憶效應的問題,只要不過充和過放,在合理正常的溫度下使用,鋰離子電池能夠做到超過500次的深度循環,部分產品甚至能夠超過千次的充放電。鋰離子的使用習慣也與傳統上的鎳氫/鎳鎘電池不太相同,以前會為了盡量避免記憶效應導致電池容量減少,通常會將鎳氫/鎳鎘電池用到沒電再行充電,而鋰離子電池沒有記憶效應的問題,不必完全放電就可進行充電。

鋰離子電池的充放電次數以實際使用量統計,譬如今天你將電池放電至一半容量後充電,對電池的充放電次數就是0.5次,而下次你把電池放電至30%的容量後充電,充放電次數就算0.7次。此外,過去部分使用充電電池的產品,於說明書上會標明第一次使用時請盡量充電8小時以上,這點在目前的鋰離子電池上也是沒有用的,因為鋰離子電池為了避免過充,都會由晶片控制充電量,一旦判斷電池充飽了便會停止充電,把充好的電池和變壓器一直連接在插座上只會浪費電而已;此外部分鎳氫/鎳鎘電池充電器在充電完畢時會轉為涓充模式,避免電池自放電效應減少電池使用容量,這部分同樣也不適用於鋰離子電池。

行動電源安全隱憂!電池原理與安全性探究:金屬鋰活性高,做好防護才是好產品

截稿之前BatteryBox推出1款12000mAh的行動電源,原廠號稱即使在經過3000次的完整充放電之後,依然能夠保有96%的電容量。

充電策略分3階段

因應鋰電池的特性,其充電時的電壓和電流大致上可分為3個階段:

  1. 預充:充電控制晶片先以較低的電流量對鋰離子電池充電,這時候並不以充電為優先考量,而是以低電流向電池檢測健康狀態,如有電阻異常增大、溫度過高、電壓異常情形等,便會直接斷電,避免對已損壞的電池進行充電,產生爆炸疑慮。

部分晶片可針對過放電電壓過低的鋰電池進行預充電,在電池電壓達到3V以前先以小電流充入,等到電壓回復至3V以上,即跳入下一階段。部分沒有支援電池健康檢測或是允許低電壓充電的充電晶片,就不會有預充這個階段。

  1. 恆流充電:在此時充電晶片以固定的電流量為電池充電,一般來說雖然鋰離子電池能夠接受1C的電流充電,但為了延長電池的使用壽命,大多數時候使用1A以下電流充電。此階段大約等到電池電壓接近4.2V時,就會跳入下一階段。
  2. 恆壓充電:在鋰離子電池充電至電壓接近4.2V時,充電晶片就會改採固定4.2V電壓進行充電,由與此時電池的電壓逐漸接近4.2V,所以充電電流會逐漸減小,直到4.2V時完成電池充電,充電晶片便會停止電量輸入電池。

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1顆鋰離子電池充電時的電壓、電流、容量的變化圖,可以看到3個充電階段的交互關係。

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Gard Charge
3.  Gard Charge (發表於 2018年8月14日 15:27)
您好我們是玖邦科技股份有限公司
我們目前正在撰寫關於USB智慧電錶的中文教材,想引用您的兩篇文章,不知是否可行?
引用文 1. https://www.techbang.com/posts/17596-security-concerns-battery-principle-and-safety-research-high-activity-of-metallic-lithium-good-defence-is-good-products-computer-king-117-group-test-in-may?page=1#_=_

2. https://www.techbang.com/posts/17375-packaged-or-bulk-good-diy-power-supply-box-on-selected-actions-18650-battery

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