充電技術: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)在設計中必須進行一定的電源保護設計，以確保對電池的損傷能降到最低。

　　郭濤強調，具體到實際應用，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立即轉入恒壓方式(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)，設計合理的充電曲線，來調整不同狀態(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的狀態(tài))會導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應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，能夠將充電信息傳遞給控制部分，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的驅動程序，以便系統(tǒng)廠商可以方便快速地進行產(chǎn)品設計，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)在還沒有進入相關的軟件領域。

　　新興應用

　　電動汽車是最近一個非常熱門的應用，而普及電動汽車的諸多技術因素中，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鍵技術。

　　同時，這類產(chǎn)品由于其應用的特殊性，對可靠性要求比較嚴格，因此對相應的半導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)品上有單獨的技術團隊，根據(jù)自身的優(yōu)勢，為這類應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)界最靈活的內部寄存器設置幫助客戶實現(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電壓轉換拓撲結構，這種新的架構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。

　　除了電動車充電外，無線充電則是消費電子領域的熱門應用，這方面請參考本刊2012年6月相關文章。而另一個值得關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轉換后如何并入電網(wǎng)，這其中最關鍵的是效率、持續(xù)性與兼容性。