便攜式系統(tǒng)的鋰離子電池充電技術(shù)
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可充電鋰離子電池的一般特性
與其它現(xiàn)有電池相比，可充電鋰離子電池具有多項優(yōu)勢，這使它們成為更適合于便攜式應(yīng)用的電源。它們可以提供更高的能量密度(最高達200 Wh/kg或300-400 Wh/L)和更高的電池電壓(炭陽極電池為4.1伏，石墨陽極電池為4.2伏)。鋰離子電池的外形可以是四邊形，并具有更長的充電保持或閑置壽命以及更高的充電次數(shù)。
鋰離子電池的更高化學(xué)能量密度和更高電池電壓使得我們可以為便攜式應(yīng)用制造出更小和更輕的電池，更輕和更小的電源對便攜式應(yīng)用而言常常是至關(guān)重要的。不過，要想充分利用電池容量或延長電池壽命，必須極其嚴(yán)格地控制充電參數(shù)。
延長電池壽命的關(guān)鍵是合理選擇充電參數(shù)，如電流、電壓和溫度。在充電過程中，施加電壓的精度對提高電池的效率和延長電池的壽命具有非常重要的作用。超過充電終止電壓將導(dǎo)致過充電，這在短期內(nèi)會增加電池的供電量，但長期來說則會導(dǎo)致電池失效并產(chǎn)生安全問題。
充電終止電壓每提高1%，電池的初始容量就會增大約5%。這種顯而易見的短期增益效應(yīng)會對電池的充電/放電次數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。過充電導(dǎo)致了充電次數(shù)的減少。
另一方面，欠充電盡管不會產(chǎn)生安全問題，但會顯著減小電池的容量。
一般來說，鋰離子電池的充電原理在概念上非常簡單。電池的等效電路通常被認(rèn)為是由一個電容量很大的電容器與一個內(nèi)部漏電電阻RLeakage組成的并聯(lián)電路。
電池導(dǎo)線與電芯本身之間的電阻和電感分別用有效串聯(lián)電阻(ESR)和有效串聯(lián)電感(ESL)表示。這些參數(shù)是電池的機械結(jié)構(gòu)和特殊化學(xué)成分的函數(shù)。電池的ESR介于50到200m(之間，而ESL是納亨量級的電感。我們將在下文中看到，ESR給在充電期間精確地檢測電池電壓帶來了特殊的挑戰(zhàn)。
鋰離子電池的充電方法有很多種。最簡單的鋰離子電池充電器通常指的是恒壓(CV)充電器(見圖1)。它由與電池兩端相連的一個電流受限的恒壓源組成。它的電流被限制在電池容量以下，輸出電壓調(diào)節(jié)為電池終止電壓(炭陽極電池是4.1V，石墨陽極電池是4.2V)。 
能量耗盡的電池將盡可能吸收充電電源提供的電流。在給電池充電時，電池兩端的電壓將會上升，而充電電流將逐漸變小。當(dāng)充電電流下降到0.1C以下時，可以認(rèn)為電池已被充滿。因為不主張涓流充電(trickle charg)，所以當(dāng)充電結(jié)束時，充電器必須完全關(guān)閉或斷開。為防止有缺陷的電池被不確定的電流充電，應(yīng)使用后備定時器來終止充電過程。
雖然恒壓充電是一種成本相對較低的方法，但它的確需要很長的充電時間。由于電源電壓保持恒定，隨著電池不斷被充電，充電電流將迅速下降，從而使充電的速度也迅速下降。然后，給電池充電的電流速率將遠低于它可以承受的電流速率。
一種更快的充電方法是恒流/恒壓(CC/CV)充電，如圖2所示。當(dāng)開始充電時，CC/CV充電器首先施加一個等價于電池容量C的恒定電流。為防止在恒流充電周期中過充電，需要監(jiān)視電池封裝兩端的電壓。當(dāng)電壓上升到給定的終止電壓時，電路切換到恒壓源工作模式。即使電池封裝兩端的電壓達到終止電壓，但因為在ESR上存在電壓降，所以實際的電池電壓將低于終止電壓。
在恒流充電期間，電池能以接近其終止電壓的高電流速率充電，且不會有任何被施加高電壓和發(fā)生過充電的威險。
經(jīng)恒流充電后，電池的容量將達到其額定值的約85%。在恒流周期結(jié)束后，充電器切換到恒壓周期。在恒壓周期，充電器通過監(jiān)視充電電流來決定是否結(jié)束充電。與恒壓充電器一樣，當(dāng)充電電流減小到電池的0.1C以下時充電周期結(jié)束。圖2顯示了一個完整的CC/CV充電過程。
迄今為止，我們一直假定被充電的對象是質(zhì)量好的電池。但情況并非總是如此。被充電的電池可能有缺陷而不能接受充電。此外，試圖對有缺陷的電池進行快速充電可能會產(chǎn)生安全隱患。理想的充電器必須能檢測所有可能的電池故障模式，并有針對性地進行充電。為簡化問題，我們在前面的討論中有意忽略了另一個因素，即電池溫度。如果鋰離子電池的溫度超出指定的溫度范圍，那么給它充電將是不安全的。目前，所有充電器都必須跟蹤電壓的變化，而CV/CC充電器甚至需要跟蹤電流和電壓。但正如前文所指出的，我們在提高充電器效率和延長電池壽命的同時不能忽略潛在的安全問題，這使我們越來越需要更智能的充電操作。
為防止因意外把反向電壓施加到電池上，所有鋰離子電池包都包含一些復(fù)雜的電路。一般來說，保護功能包括防止過放電、過充電、過大的充/放電電流以及避免電池被施加高電壓。
在電池的充電或放電期間，如果任何參數(shù)超過了特定電池設(shè)置的限制值，電芯與電池終端之間的連接將斷開。通常，當(dāng)反向電壓被撤除或者電池被預(yù)置之后，經(jīng)過一段時間，充電器將會復(fù)位。
除了電子保護以外，電池還包含機械的二級過流保護器件。一種聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)過流保護器件被串聯(lián)在電池封裝與電芯終端之間。
當(dāng)發(fā)生過流時，PPTC器件從低阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而保護了電路。器件因I2R發(fā)熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致它的溫度上升，而上述變化正是器件溫度快速增高的結(jié)果。
好的充電器設(shè)計必須能夠確定鋰離子電池是否可以安全、有效地進行快速充電。下面是一些支持便攜式應(yīng)用的充電器實例。
獨立型充電器LP3946
LP3946是獨立型單單元鋰離子電池充電器，它帶有一個集成的導(dǎo)通晶體管和電流傳感電阻。除了充電功能外，它還可以工作在低壓降(LDO)模式下。這個功能在制造過程中非常有用，因為在對產(chǎn)品進行測試和性能驗證時，它免除了插入電池的需要。
充電周期從插入電源變壓器開始。充電器首先驗證輸入電壓，如果它在允許的范圍之內(nèi)，充電器將啟動電池認(rèn)證過程。在這個階段，一個電流源向電池終端施加50mA電流，同時監(jiān)視電壓。如果電池兩端的電壓高于3.0V，表示電池的狀況良好，那么恒流充電周期將啟動。電流的幅度是電池容量的函數(shù)，這可以參考電池制造商推薦的數(shù)值。典型充電電流是1C，但一些電池需要更低的充電電流。
Diff-Amp的輸出端可以模擬重現(xiàn)充電電流。Diff-Amp輸出端也代表在LDO工作模式下的電流。在單電源供電系統(tǒng)中，為避免當(dāng)工作電壓接近地電位時發(fā)生精度錯誤，Diff-Amp的輸出被偏置為0.5V。
為便于使用和減少外部元件數(shù)量，LP3946的快速充電電流是在工廠按用戶的要求設(shè)定的。恒流源也可以在工廠設(shè)定成從500 mA到 950 mA之間按50 mA遞增的任何值。其它工廠可以預(yù)置的參數(shù)包括終止電壓(4.1或4.2V)和充電結(jié)束電流(0.1C、0.15C或0.2C)。
在恒流周期，為避免過充電，要非常精確地監(jiān)視電池電壓。正如前面所描述的，如果超過電池的終止電壓，電池壽命將逐步縮短，而且這個效應(yīng)是累積性的。在恒流充電過程中，由于在電池的ESR上存在電壓降，所以電池兩端的電壓并不能準(zhǔn)確代表電芯的電壓。當(dāng)在終止電壓結(jié)束恒流周期時，ESR的電壓降提供了一個保險裕度，使電池不會被施加過高的電壓。
在恒流周期，電池被充電到容量的80-85 %左右。在恒流周期結(jié)束之后，恒壓周期開始啟動。在這個周期，電池的充電電流為ICharger = (VBatt - Vcell)/ESR。在充電過程中，Vcell不斷升高而充電電流隨之下降。隨著充電電流的減小，因ESR產(chǎn)生的誤差也將逐漸減小，所以電池兩端的電壓可以更準(zhǔn)確地代表電芯的實際電壓。
當(dāng)電流下降到預(yù)置的充電結(jié)束 (EOC) 電流以下時，充電終止。通常，推薦的EOC電流水平為0.1C、0.15C和0.2C。
一旦檢測到EOC電流，充電周期結(jié)束。在這時，充電器電路關(guān)閉，維護周期啟動。在維護周期，當(dāng)監(jiān)視到電池電壓下降到3.9V以下時，充電周期重新開始(假設(shè)檢測到的整流器信號有效)。
當(dāng)電能消耗使電池電壓下降到3.0V以下時，快速充電被預(yù)認(rèn)證周期替代。這主要是出于安全考慮，并避免對可能有故障的電池進行快速充電。在正常運行時，如果電芯電壓下降到這個電平，內(nèi)部保護電路將被激活，以切斷電芯終端與電池封裝終端之間的連接。如果電池沒有永久性損壞，則施加低水平的電流以逐步提高電池電壓，并使內(nèi)部保護電路復(fù)位。作為一個后備保護器件，定時器計數(shù)器會記錄總的充電時間。如果電池經(jīng)過5.6小時的恒流或恒壓充電仍未達到終止電壓，那么將放棄充電。
作為充電周期的可視指示信號，CHG信號點亮一個紅色LED，表示充電周期的開始。EOC信號點亮一個綠色LED ，表示充電周期的結(jié)束。在維護周期，只要交流變壓器依然插在墻上，綠色LED就一直接通。如果檢測到故障條件，紅色和綠色LED將同時接通。
BIPB輸入引腳是一個多功能引腳。它的主要功能是允許LP3946在沒有插入電池時作為LDO來工作。在LDO模式，LP3946的輸出設(shè)定為4.1V。BIPB引腳還能被用于電池就位檢測功能，即當(dāng)電池就位時，它將通過電池的ID電阻與地連通。
LP3946是一個典型的自維護充電器，它便于使用，而且只需要最少數(shù)量的外部元件。在充電周期，它實際上不需要用戶干預(yù)。然而，一些應(yīng)用要求與充電器進行更多的互動。其主要原因是為了修改充電參數(shù)，以便使它們與被充電的電池類型匹配。這樣的一個例子是標(biāo)準(zhǔn)電池與大負(fù)荷或高容量的電池互換。高容量電池可以使用為低容量電池設(shè)定的充電參數(shù)進行充電，但這需要更長的充電時間。不過，因為安全的原因，相反的情形是不受推薦的。
LP3945-參數(shù)可編程的充電器
LP3945的應(yīng)用電路如圖3所示。同樣，為了減小所需的PCB空間，它使用最少數(shù)量的外部元件。用戶可以通過I2C接口與該設(shè)備進行通信。
除了可以改變電池的工作參數(shù)之外，用戶還可以通過I2C接口讀取EOC和CHG寄存器的狀態(tài)，從而查詢充電周期的狀態(tài)。
LP3945的特性在帶有(控制器的應(yīng)用中可以得到充分利用。
結(jié)論
為了給快速增長的一系列便攜式產(chǎn)品供電，人們正在開發(fā)具有更寬工作溫度范圍、更高能量密度和更長閑置壽命的電池。隨著我們對電池特性的理解不斷深入，電池充電技術(shù)也在持續(xù)改進。此外，新型應(yīng)用導(dǎo)致新方法的出現(xiàn)，并創(chuàng)造新的需求。例如，從連接到PC的USB接口給電池充電。在這種應(yīng)用中，USB協(xié)議要求連接到該端口的任何設(shè)備最初必須工作在低功率模式，例如消耗的電流低于100 mA。充電過程必須從100mA電流開始，充電器的輸入電壓只能為4.5V。一旦主機與設(shè)備之間建立通信后，主機將允許高功率工作模式。這樣的應(yīng)用需要一定水平的智能，而且這種水平的智能必須由充電器或者利用充電器的系統(tǒng)提供。
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