在為系統(tǒng)供電的同時(shí)盡可能縮短電池充電時(shí)間

摘要： 在最大化電池容量以及最小化電池充電時(shí)間方面，鋰離子電池充電和系統(tǒng)控制架構(gòu)已成為當(dāng)前的重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域。本文首先將探討鋰離子電池的充電系統(tǒng)以及在充電電壓、電池容量以及電池使用壽命 (battery cycle life) 之間，或者在充電電流、充電時(shí)間與電池使用壽命之間的權(quán)衡。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)電源路徑管理系統(tǒng)供電；鋰離子電池

我們將討論系統(tǒng)和充電器互動(dòng)，如電池充電定時(shí)器錯(cuò)誤終止等，此外還將介紹一種動(dòng)態(tài)的電源路徑管理 (DPPM) 技術(shù)。DPPM 電池充電器可為系統(tǒng)和充電器提供獨(dú)立的電源路徑，充分利用適配器提供的電源最大限度地縮短電流充電時(shí)間。此外，該技術(shù)還能避免系統(tǒng)崩潰，并能夠在為系統(tǒng)供電的同時(shí)還向經(jīng)過深度放電的電池充電。

正確為鋰離子電池充電

圖 1 顯示了使用廣泛的鋰離子電池的充電曲線圖。大多數(shù)專用鋰離子電池充電集成電路 (IC) 都會(huì)以這種方式為電池充電。鋰離子電池的充電由三個(gè)階段組成：預(yù)充階段、快充恒流階段 (CC) 以及恒壓終止階段 (CV)。在預(yù)充電階段，以低速率(通常為快充速率的 1/10)對(duì)電池充電，這時(shí)的電池電壓低于 3.0 V。這有助于恢復(fù)電池的鈍化層，鈍化層在深度放電狀態(tài)下存儲(chǔ)時(shí)間過長會(huì)溶解。另外，還可以在過充時(shí)，陽極短路的電池出現(xiàn)部分銅分解的情況下防止以 1C 充電(1C是指一小時(shí)內(nèi)可使電池完全放電的放電電流)發(fā)生過熱。所具備的預(yù)充電安全定時(shí)器能夠避免長時(shí)間給充不進(jìn)電的電池 (dead battery) 充電。若電池電壓達(dá)到典型的 3.0V，這時(shí)充電器進(jìn)入 CC 階段?？斐潆娏魍ǔＯ拗圃?0.5C 至 1C，可避免過熱進(jìn)而加速電池老化。選擇充電速率時(shí)，應(yīng)保證電池的溫度不超過 450C。電池在達(dá)到規(guī)定電壓限度(對(duì) LiCoO2 陰極而言通常為每節(jié)電池 4.2 V，對(duì) Li-Ni-Mn-Co 化合物以及 LiCoO2 陰極結(jié)合型電池而言通常為4.4V)前一直以快速充電速度充電。充電電流以指數(shù)級(jí)降至預(yù)定義終止水平時(shí)，充電器開始調(diào)節(jié)電池電壓并進(jìn)入 CV 充電終止階段。為避免給充不進(jìn)電的電池過長時(shí)間充電，我們通常需要采用快充安全定時(shí)器。到達(dá)安全時(shí)間后，電池充電器必須停止工作，即便此時(shí)電池尚未達(dá)到終止電流也應(yīng)如此。

電池容量是電池電壓的函數(shù)。圖 2 顯示了具有 LiCoO2 陰極材料的鋰離子電池在不同電池充電電壓情況下的使用壽命[1]。通常，電池電壓越高，電池的容量就越大。但是，電池電壓越大，電池的使用壽命就會(huì)越短。電池的陰極材料在較高電壓情況下與電解液的反應(yīng)會(huì)加快，并且鈷材料在化學(xué)反應(yīng)過程中將永久消失。因此，可用的能量存儲(chǔ)材料會(huì)越來越少，從而造成電池化學(xué)容量的損耗。盡管其一開始能獲得約 10% 的更多存儲(chǔ)容量，但如果充電電壓為 4.3V，那么電池工作壽命會(huì)減半。另一方面，如果電池充電不足，那么其容量就會(huì)降低。如果電池充電時(shí)的電壓低于 40mV，那么就會(huì)損失約 8% 的總?cè)萘?。因此，電池充電電壓的?zhǔn)確度致關(guān)重要。

電池充電時(shí)間是另一重要因素。在恒流充電階段，電池充到 70% 的總?cè)萘繒r(shí)通常需要約 30% 的充電時(shí)間，而在恒壓階段用 70% 的充電時(shí)間僅能充 30% 的總電池電量。這是由于電池具有內(nèi)部電阻。電池內(nèi)部電阻越低，電池充電時(shí)間就越短。提高電池充電電流速率并非縮短電池充電時(shí)間的有效方法，其能縮短恒流階段的充電時(shí)間，卻會(huì)延長恒壓階段的充電時(shí)間。因此，這很難縮短總充電時(shí)間。而且，如果電池充電速度快于 1C，就會(huì)影響電池的使用時(shí)間。圖 3 顯示了帶 LiCoO2陰極材料的鋰離子電池使用壽命與電池充電速率之間的關(guān)系。電池充電速率越高，電池壽命就越短。這是因?yàn)?，如果充電速率快?1C，那么額外可用的鋰離子就會(huì)變?yōu)殛枠O的金屬鋰。金屬鋰是一種非?；钴S的金屬，很容易同電解液發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致永久性的鋰損失。因此，我們建議電池充電速度不應(yīng)高于 1C。

電池充電器與系統(tǒng)互動(dòng)

圖 4 顯示了最常用的電池充電與系統(tǒng)電源架構(gòu)，這種系統(tǒng)是與電池直接連接的。充電器的輸出首先給電池充電。此外，電池充電輸出還給系統(tǒng)提供電源，這有助于簡化架構(gòu)，進(jìn)而降低成本。不過，將系統(tǒng)負(fù)載連接到電池也會(huì)導(dǎo)致各種問題，如造成更長的電池充電時(shí)間，終止充電，以及錯(cuò)誤的安全定時(shí)器警報(bào)等。

在上述配置情況下，充電器輸出電流 ICHG 不僅僅用于電池充電，而是同時(shí)供應(yīng)系統(tǒng)與充電器。ICHG 是充電器可控制的電流，充電器根據(jù)電流決定如何充電。因此，充電器不能直接監(jiān)控有效電池充電電流IBAT。

在預(yù)充電階段，預(yù)充電電流通常為快速充電電流的 1/10，這時(shí)電池電壓低于 3.0V。系統(tǒng)負(fù)載 ISYS 會(huì)“盜用”上述電流的一部分，有效充電電流會(huì)進(jìn)一步減小。這不僅會(huì)延長電池充電時(shí)間，而且還有可能導(dǎo)致預(yù)充電定時(shí)器在電池電壓未在預(yù)充電定時(shí)器時(shí)限內(nèi)升至 3V 電壓情況下錯(cuò)誤報(bào)告時(shí)間已到。這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的預(yù)充電安全定時(shí)器警報(bào)，因?yàn)檫@時(shí)預(yù)充電電流不足的原因并非由電池故障造成的。此外，系統(tǒng)電流甚至有可能大于預(yù)充電電流，電池會(huì)放電，而不是被充電。為了解決這一問題，系統(tǒng)應(yīng)為關(guān)斷模式或低靜態(tài)電流待機(jī)模式，這樣預(yù)充電電流就能專門用于電池充電，使電池在預(yù)充電安全定時(shí)器時(shí)限內(nèi)充到 3.0V 以上。同樣，一旦電池進(jìn)入快充階段，系統(tǒng)負(fù)載會(huì)繼續(xù)“盜用”充電輸出的一部分充電電流，從而延長電池充電時(shí)間，進(jìn)而也可能造成快速充電安全時(shí)間發(fā)出錯(cuò)誤警報(bào)。

動(dòng)態(tài)電源路徑管理(DPPM)電池充電器

為了縮短電池充電時(shí)間并解決系統(tǒng)與電池充電器的互動(dòng)問題，電池充電器輸出應(yīng)專用于為電池充電。圖 5顯示了簡化的電源路徑管理電池充電器結(jié)構(gòu)圖。我們用 MOSFET Q1 對(duì)系統(tǒng)總線電壓 VOUT 進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，或用作開關(guān)，這就建立起從輸入到系統(tǒng)的直接路徑。將 MOSFET Q2 專用于全面控制電池充電器。這樣，電池與系統(tǒng)之間就不會(huì)再相互干擾。這種電源架構(gòu)可為系統(tǒng)電源和電池充電建立兩個(gè)獨(dú)立的路徑，稱為電源路徑管理 (PPM)。專用的電池充電路徑能夠最小化電池充電時(shí)間，并可完全消除安全定時(shí)器錯(cuò)誤終止的問題。此外，其還可以確保系統(tǒng)在為深度放電電池充電期間繼續(xù)運(yùn)行，因?yàn)椴还苡袥]有電池，系統(tǒng)總線電壓都會(huì)通過 MOSFET Q1 調(diào)節(jié)為設(shè)定值，如 4.4V。諸如智能電話、PDA 以及 MP3 播放機(jī)等應(yīng)用要求不管在有無電池的情況下都應(yīng)確保用戶繼續(xù)通過外接電源工作，這就需要采用電源路徑管理技術(shù)。

DPPM 技術(shù)可監(jiān)控系統(tǒng)總線電壓 VOUT，防止限流或輸入電源移除時(shí)造成輸入能量損耗。系統(tǒng)與電池充電器所要求的電流高于 AC 適配器或 USB 提供的輸入電流時(shí),連接在系統(tǒng)總線中的電容器 Co 開始放電，系統(tǒng)總線電壓也會(huì)下降。一旦系統(tǒng)總線電壓降至預(yù)設(shè)的 DPPM 閾值，電池充電控制系統(tǒng)將通過降低電池充電電流來調(diào)節(jié)系統(tǒng)總線電壓，這樣系統(tǒng)和電池充電器的總電流需求將等于適配器提供的最大電流，從而可避免系統(tǒng)總線電壓下降。DPPM 控制機(jī)制試圖達(dá)到一種穩(wěn)狀條件，使系統(tǒng)獲得必需的電流，同時(shí)又讓電池能用剩余電流完成充電。這不僅最大限度地發(fā)揮了適配器可用電源的作用，而且還盡可能地縮短了電池充電時(shí)間。大多數(shù)系統(tǒng)負(fù)載的脈動(dòng)電流都較高，動(dòng)態(tài)變化大。由于系統(tǒng)平均功率大大低于最大峰值功率 (peak maximum power)，因此如果我們以系統(tǒng)和電池充電器的最大峰值功率為基礎(chǔ)來確定額定功率的話，就會(huì)使適配器的設(shè)計(jì)大大超標(biāo)。DPPM 控制技術(shù)使用戶不僅能夠采用較低的額定功率以及較廉價(jià)的 AC 適配器，又能確保實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電與電池充電同時(shí)進(jìn)行。

圖 6 顯示了采用成熟 DPPM 技術(shù)的鋰離子電池充電器的實(shí)例。系統(tǒng)和電池充電器的總電流超過 AC 適配器電流限度或 USB 電流限度時(shí)，連接至系統(tǒng)總線的電容器 C0會(huì)開始放電，系統(tǒng)總線電壓開始下降。當(dāng)系統(tǒng)總線電壓下降到 DPPM 引腳設(shè)定的預(yù)定閾值時(shí)，我們也會(huì)降低充電電流，以維持系統(tǒng)總線電壓，避免系統(tǒng)因 AC 適配器過載而崩潰。如果即便充電電流降至 0A，也不能維持系統(tǒng)總線電壓，那么電池就會(huì)暫時(shí)放電，并為系統(tǒng)提供電源以避免系統(tǒng)崩潰。

為了確保系統(tǒng)安全工作，DPPM 電壓閾值通常低于 OUT 引腳的規(guī)定電壓。我們需要使 OUT 引腳處系統(tǒng)電壓和 DPPM 閾值之間保持足夠的電壓差，才能適當(dāng)終止充電。為了最大限度地縮小解決方案的尺寸，我們將功率 MOSFET 集成在電池充電器中。我們用熱調(diào)節(jié)環(huán)路 (thermal regulation loop) 來降低充電電流，從而避免硅芯片溫度超過 125℃。只要充電電流因處于工作狀態(tài)的熱調(diào)節(jié)或 DPPM 工作而降低，那么就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)安全定時(shí)器以增加定時(shí)器的值，從而避免發(fā)生異常的錯(cuò)誤安全定時(shí)終止。此外，我們還禁用充電終止，以避免在 DPPM 或熱調(diào)節(jié)環(huán)路處于工作狀態(tài)時(shí)錯(cuò)誤地終止充電。

結(jié)語

使充電電流高于 1C 并不是縮短電池充電時(shí)間的有效方法，這會(huì)縮短電池的使用壽命。如果將系統(tǒng)直接連接至電池，那么通常會(huì)延長電池的充電時(shí)間，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)占用一部分電池充電器輸出的電池充電電流，從而減小有效電池充電電流。DPPM 技術(shù)使電池充電器的輸出能完全用于為電池充電，這不僅會(huì)縮短電池充電時(shí)間，而且還能為電源輸入到系統(tǒng)和電池之間提供彼此獨(dú)立的電源路徑，從而避免充電器和系統(tǒng)之間發(fā)生互動(dòng)。這種技術(shù)使我們能在為深度放電的或有故障的電池充電的同時(shí)繼續(xù)保持系統(tǒng)工作。

參考文獻(xiàn)：
1.  Soo Seok Choi, Hong S. Lim，LiCoO2 鋰離子電池影響使用壽命的因素以及可能的老化機(jī)制，《電源學(xué)報(bào)》2002 年 9 月第 111 期第 130~136 頁