DS2770 Li+電池脈沖充電器與線性充電器的性能比較

脈沖充電器具有許多與線性充電器相同的優(yōu)點(diǎn)，如：簡單、廉價(jià)、小尺寸、外部元件少等。與線性充電器相比，脈沖充電器還具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢，它的熱量主要耗散在墻上適配器、而不是充電器本身，由此，設(shè)計(jì)中不需要考慮散熱問題。當(dāng)然，它也存在某些缺陷，按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，Li+電池脈沖充電器可能導(dǎo)致電池過早地老化，這一結(jié)論是以恒流充電過程和脈沖充電過程采用了相同的充電電流為前提的。利用DS2770構(gòu)成的脈沖充電器進(jìn)行一系列測試后，所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)觀點(diǎn)并不相符。本文對線性充電器(CC/CV)和DS2770電池監(jiān)視與脈沖充電器的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，主要對比了充電時(shí)間、電池有效容量和電池壽命等項(xiàng)指標(biāo)。
充電時(shí)間和電池壽命

圖1  線性充電器和脈沖充電器測試裝置

圖2  脈沖充電器與線性充電器在全溫范圍內(nèi)充電時(shí)間對照圖

圖3  脈沖充電器與線性充電器在全溫范圍內(nèi)可用電池容量對照圖

圖4  線性充電與脈沖充電時(shí)電池壽命對照圖

DS2770電池監(jiān)視器與充電控制器構(gòu)成Li+電池充電器，用于提供脈沖充電、并在試驗(yàn)中充當(dāng)庫侖計(jì)，庫侖計(jì)用于測量電池經(jīng)過反復(fù)充電后的容量跌落值。圖1所示為具體采用的測試電路。充電電源采用Keithley Model 2304，其開路電壓設(shè)置為6.0V，配置為脈沖充電器時(shí)，Keithley連接到節(jié)點(diǎn)A(圖1)，電流限制為750mA。啟動(dòng)充電后，DS2770將以所限制的電流為電池充電、直到電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，轉(zhuǎn)至脈沖充電，脈沖寬度(tPULSE)為875ms(典型值)，當(dāng)tPULSE + tOFF = 14s(典型值)、占空比為6.25%時(shí)。終止充電。線性充電模式下，Keithley在恒流充電期間被設(shè)置為6.0V@750mA、與節(jié)點(diǎn)B連接在一起，此時(shí)，DS2770只用于測量恒流充電時(shí)的電池電壓和恒壓充電時(shí)的電池電流，如果檢測到電池電壓達(dá)到4.2V，Keithley將保持節(jié)點(diǎn)B為固定的4.2V。當(dāng)DS2770檢測到充電電流遞減至50mA(節(jié)點(diǎn)B為4.2V)時(shí)，將終止充電過程，認(rèn)為電池已充滿。
另一個(gè)Keithley 2304用于放電周期的模擬負(fù)載，測試中所采用的放電過程均在25℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，并在任何充電模式下保證相同的放電特性。以750mA的直流負(fù)載電流將電池放電至3.4V；釋放負(fù)載后，電池電壓將有所回升，然后以250mA的直流繼續(xù)放電，使電池電壓跌至3.4V；最后，以50mA的負(fù)載電流繼續(xù)放電，當(dāng)電池電壓再次跌至3.4V時(shí)，認(rèn)為電池已完全放電。從放電開始到放電結(jié)束，DS2770累計(jì)電流寄存器(ACR)內(nèi)數(shù)值之差被當(dāng)作每次充電的有效電池容量記錄下來。

充電時(shí)間和電池有效容量
試驗(yàn)中采用一款新的1400mAh鋰聚合物電池進(jìn)行測試，充電器分別采用DS2770構(gòu)成的脈沖充電器和分立式線性充電器，由于電池容量在最初的幾次充電/放電過程中會(huì)有較大的變化，所以在進(jìn)行實(shí)際測試之前，首先對電池重復(fù)進(jìn)行10次充、放電。整個(gè)試驗(yàn)從40℃環(huán)境溫度下用DS2770脈沖充電器對完全放電的電池進(jìn)行充電開始，記錄充電開始和充電結(jié)束的時(shí)間(利用PC機(jī)時(shí)鐘)；室溫恢復(fù)到25℃時(shí)，按照上述放電過程將電池電量完全放掉，記錄放電開始和放電結(jié)束時(shí)對應(yīng)的ACR數(shù)值之差、將其作為電池的有效容量。完成脈沖充電測試后，用線性穩(wěn)壓器在40℃環(huán)境溫度下對電池進(jìn)行充電，并記錄充電時(shí)間；然后，在25℃時(shí)按照相同的放電過程對電池進(jìn)行放電處理，記錄ACR的差值。在0℃至40℃范圍內(nèi)、按照5℃間隔重復(fù)上述試驗(yàn)。所得結(jié)果如圖2和圖3所示。
從上述曲線可以看出：在給定溫度下，兩種充電模式得到的電池有效容量基本相同，高溫區(qū)域脈沖充電模式下獲得的有效電池容量略高于線性模式充電時(shí)的電池容量，低溫區(qū)域結(jié)論恰好相反。兩種充電模式對應(yīng)的充電時(shí)間相差較大，低溫充電時(shí)，恒壓浮充過程所占用的時(shí)間要比脈沖浮充時(shí)間長37%；40℃時(shí)，脈沖充電過程時(shí)間縮短了14%。測試結(jié)果表明：脈沖充電明顯比線性充電過程快。

電池壽命比較
為了比較脈沖充電模式和線性充電模式對電池使用壽命的影響，我們選用了兩個(gè)新的1400mAh鋰聚合物電池，兩個(gè)電池分別利用線性充電器和脈沖充電器重復(fù)充電/放電500次，以電池有效容量的衰減作為衡量電池壽命的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)表明：脈沖充電方式對于電池壽命的影響更小。25℃時(shí)，利用CC/CV方式對電池重復(fù)充電/放電500次后，電池有效容量要比脈沖方式下進(jìn)行相同測試后的結(jié)果降低4.6%。

結(jié)語
線性充電器和脈沖充電器同樣具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，但是，線性充電器的熱量主要耗散在調(diào)整管上，設(shè)計(jì)中需要考慮散熱問題，脈沖充電器需要限流型電流源，但其熱量主要耗散在充電電源上、而非電池組內(nèi)部。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為：由于脈沖充電器在電池電壓達(dá)到VCV時(shí)是以1C的脈動(dòng)電流進(jìn)行充電，使電池壽命受到較大影響。利用DS2770電池監(jiān)視器和充電控制器對電池進(jìn)行充電，測試結(jié)果表明：脈沖充電器充電速度比線性充電器快16%(25℃)，并保持基本相同的有效電池容量；利用DS2770構(gòu)成的脈沖充電器對Li+電池重復(fù)充電500次后對電池壽命的影響更小。■