充電技術(shù):停不下“充電”的步伐

　　電源保護與電源監(jiān)控

　　由于充電電池需要反復(fù)使用，而且在充電過程中盡管是直流充電，依然會存在一定的瞬態(tài)電流，所以充電系統(tǒng)在設(shè)計中必須進行一定的電源保護設(shè)計，以確保對電池的損傷能降到最低。

　　郭濤強調(diào)，具體到實際應(yīng)用，單只鋰離子電池的充電電壓最好保持在4.1V，通過充放電管理芯片，充電電流通常限制在1C以下，否則會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電系統(tǒng)通常采用恒流/恒壓充電模式，即先采用恒定電流充電，電池電壓不斷上升，當上升到門限電壓時充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓方式(4.1V+50mV)，充電電流逐漸減小，當電池充足電時，電流降到涓流充電電流。在電池充電過程中，長時間過充對電池造成的損傷是最為嚴重的事件，極度情況下會引起電池爆炸著火，傷及人身。為了避免此類事故，電源部分通常采用限壓技術(shù)或元件，防止過高電壓電源的誤輸入造成充放電管理系統(tǒng)電路的損壞;同時，在電池電極附近安裝聚合物型可恢復(fù)正溫度保護器件，在充放電管理系統(tǒng)失效時，起到二次保護作用，防止過充造成電池的毀壞。

　　除了在充電過程中加入相應(yīng)電路保護功能，充電過程中還需要通過對電池的電壓及溫度的監(jiān)測，針對電池的不同狀態(tài)，設(shè)計合理的充電曲線，來調(diào)整不同狀態(tài)下的充電電流來降低對電池的損傷。特別是對便攜產(chǎn)品的鋰離子電池充電，如果不進行電池監(jiān)控，散熱失控(一種電池進入失控反應(yīng)的狀態(tài))會導(dǎo)致電池的溫度快速升高，最終產(chǎn)生爆炸等嚴重后果，在某些低高溫范圍內(nèi)應(yīng)避免使用高充電電流和高充電電壓的重要性。目前智能電池組包括了一個電量計、模擬前端和二級保護電路，常常用于筆記本電腦應(yīng)用中。電量計通過 SMBus 向系統(tǒng)提供電池的電池電壓、充電和放電電流、電池溫度、剩余電量以及可運行時間信息，旨在優(yōu)化系統(tǒng)性能。在各類電源監(jiān)控電路部分，郭濤認為，可使用TE電路保護部的聚合物型自恢復(fù)保護器或者一次型保險絲，防止由于各類操作和組裝失誤造成的電源短路故障。

　　電源監(jiān)控同樣也是提升充電效率的一個重要手段，能夠?qū)⒊潆娦畔鬟f給控制部分，優(yōu)化充電過程。充電系統(tǒng)中需要監(jiān)控的參數(shù)主要包括充電電流，充電電壓，充電器的溫度，電池的溫度等信息，而這些參數(shù)主要是通過ADC檢測節(jié)點電壓的方式來實現(xiàn)的，如監(jiān)控充電電流這一項，由于在大功率應(yīng)用中，為了達到較高的檢測精度，一般使用精密電阻來進行檢測，但是為了不影響充電效率，電阻的取值一般都非常小，所以需要對檢測信號進行放大，而這時候電流放大器就特性就會非常重要。

　　軟件的作用

　　軟件在充電系統(tǒng)中扮演了非常重要的角色，對硬件電路起到了不可忽視的補充作用，使得充電系統(tǒng)的可控性和可移植性變得更強。例如通過軟件算法對充電系統(tǒng)和電池進行監(jiān)控，可以極大地減少充電解決方案的硬件體積和成本，增強充電系統(tǒng)的可靠性。李林表示，Intersil公司為自己的每一款充電芯片都提供必要的軟件支持，通過提供圖形化的軟件評估界面和相應(yīng)的驅(qū)動程序，以便系統(tǒng)廠商可以方便快速地進行產(chǎn)品設(shè)計，從而縮短系統(tǒng)廠商的開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市進程。軟件具有更改靈活、便于擴展，整體費用低等優(yōu)點。隨著嵌入式軟件的發(fā)展，軟體在充電系統(tǒng)中的分量將越來越重。郭濤介紹，TE電路保護部提供業(yè)內(nèi)先進的電路保護器件和完善的保護方案，作為一個被動元件商，現(xiàn)在還沒有進入相關(guān)的軟件領(lǐng)域。

　　新興應(yīng)用

　　電動汽車是最近一個非常熱門的應(yīng)用，而普及電動汽車的諸多技術(shù)因素中，充電系統(tǒng)現(xiàn)在是制約其快速發(fā)展的重要瓶頸。電動汽車充電系統(tǒng)不僅要求效率和充電時間，更要求在安全和易用性上取得突破。這其中比較突出的要求包括，通用性的充電接口與通用電量檢測軟件。

　　大功率電池供電設(shè)備不同于單節(jié)電池供電系統(tǒng)。由于需要使用多節(jié)電池進行各種串并聯(lián)，以實現(xiàn)所需的電池功率，使得整個供電單元成為一個復(fù)雜的電池組。在這個電池組中任何一節(jié)電池芯出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致整個電池組包失效并危害到使用者。如何保證電池組中每一節(jié)電池的安全，如何用最經(jīng)濟的方式實現(xiàn)對每一節(jié)電池的監(jiān)控，如何保證在復(fù)雜的電池系統(tǒng)裝配過程中不因各類疏忽或差錯引起無法控制的危害，這些都是與傳統(tǒng)單節(jié)電池充電系統(tǒng)的不同和需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

　　同時，這類產(chǎn)品由于其應(yīng)用的特殊性，對可靠性要求比較嚴格，因此對相應(yīng)的半導(dǎo)體器件也提出了新的挑戰(zhàn)。李林自信地表示，Intersil在這類產(chǎn)品上有單獨的技術(shù)團隊，根據(jù)自身的優(yōu)勢，為這類應(yīng)用提供高可靠性的解決方案。針對于當下發(fā)展最活躍的鋰電池電動車市場，Intersil推出了多個高性能的產(chǎn)品系列和解決方案，如多節(jié)電池均衡保護模擬前端產(chǎn)品ISL78600，在提供業(yè)界最快的循環(huán)電池電壓掃描功能的同時，耗電量低到只有幾十微安, 并且提供業(yè)界最靈活的內(nèi)部寄存器設(shè)置幫助客戶實現(xiàn)不同的電池保護算法要求。 再如更具靈活性的基于ISL6754的高效率非對稱全橋ZVS電壓轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)，這種新的架構(gòu)在不增加硬件投入成本的前提下幫助客戶將大功率充電系統(tǒng)的效率提升了一個等級，為節(jié)能環(huán)保型充電器的入市奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　除了電動車充電外，無線充電則是消費電子領(lǐng)域的熱門應(yīng)用，這方面請參考本刊2012年6月相關(guān)文章。而另一個值得關(guān)注的是太陽能與光伏發(fā)電后的充電系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的最大不同是直流發(fā)電后儲存電能，然后經(jīng)過DC-AC轉(zhuǎn)換后如何并入電網(wǎng)，這其中最關(guān)鍵的是效率、持續(xù)性與兼容性。