充電技術(shù):停不下“充電”的步伐

　　電源保護與電源監控

　　由于充電電池需要反復使用，而且在充電過(guò)程中盡管是直流充電，依然會(huì )存在一定的瞬態(tài)電流，所以充電系統在設計中必須進(jìn)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(shí)際應用，單只鋰離子電池的充電電壓最好保持在4.1V，通過(guò)充放電管理芯片，充電電流通常限制在1C以下，否則會(huì )造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電系統通常采用恒流/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(mén)限電壓時(shí)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(shí)，電流降到涓流充電電流。在電池充電過(guò)程中，長(cháng)時(shí)間過(guò)充對電池造成的損傷是最為嚴重的事件，極度情況下會(huì )引起電池爆炸著(zhù)火，傷及人身。為了避免此類(lèi)事故，電源部分通常采用限壓技術(shù)或元件，防止過(guò)高電壓電源的誤輸入造成充放電管理系統電路的損壞;同時(shí)，在電池電極附近安裝聚合物型可恢復正溫度保護器件，在充放電管理系統失效時(shí)，起到二次保護作用，防止過(guò)充造成電池的毀壞。

　　除了在充電過(guò)程中加入相應電路保護功能，充電過(guò)程中還需要通過(guò)對電池的電壓及溫度的監測，針對電池的不同狀態(tài)，設計合理的充電曲線(xiàn)，來(lái)調整不同狀態(tài)下的充電電流來(lái)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(jìn)行電池監控，散熱失控(一種電池進(jìn)入失控反應的狀態(tài))會(huì )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(gè)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(guò) SMBus 向系統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(shí)間信息，旨在優(yōu)化系統性能。在各類(lèi)電源監控電路部分，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(lèi)操作和組裝失誤造成的電源短路故障。

　　電源監控同樣也是提升充電效率的一個(gè)重要手段，能夠將充電信息傳遞給控制部分，優(yōu)化充電過(guò)程。充電系統中需要監控的參數主要包括充電電流，充電電壓，充電器的溫度，電池的溫度等信息，而這些參數主要是通過(guò)ADC檢測節點(diǎn)電壓的方式來(lái)實(shí)現的，如監控充電電流這一項，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(lái)進(jìn)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(jìn)行放大，而這時(shí)候電流放大器就特性就會(huì )非常重要。

　　軟件的作用

　　軟件在充電系統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，使得充電系統的可控性和可移植性變得更強。例如通過(guò)軟件算法對充電系統和電池進(jìn)行監控，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(guò)提供圖形化的軟件評估界面和相應的驅動(dòng)程序，以便系統廠(chǎng)商可以方便快速地進(jìn)行產(chǎn)品設計，從而縮短系統廠(chǎng)商的開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。軟件具有更改靈活、便于擴展，整體費用低等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)嵌入式軟件的發(fā)展，軟體在充電系統中的分量將越來(lái)越重。郭濤介紹，TE電路保護部提供業(yè)內先進(jìn)的電路保護器件和完善的保護方案，作為一個(gè)被動(dòng)元件商，現在還沒(méi)有進(jìn)入相關(guān)的軟件領(lǐng)域。

　　新興應用

　　電動(dòng)汽車(chē)是最近一個(gè)非常熱門(mén)的應用，而普及電動(dòng)汽車(chē)的諸多技術(shù)因素中，充電系統現在是制約其快速發(fā)展的重要瓶頸。電動(dòng)汽車(chē)充電系統不僅要求效率和充電時(shí)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電池供電系統。由于需要使用多節電池進(jìn)行各種串并聯(lián)，以實(shí)現所需的電池功率，使得整個(gè)供電單元成為一個(gè)復雜的電池組。在這個(gè)電池組中任何一節電池芯出現問(wèn)題，都會(huì )導致整個(gè)電池組包失效并危害到使用者。如何保證電池組中每一節電池的安全，如何用最經(jīng)濟的方式實(shí)現對每一節電池的監控，如何保證在復雜的電池系統裝配過(guò)程中不因各類(lèi)疏忽或差錯引起無(wú)法控制的危害，這些都是與傳統單節電池充電系統的不同和需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

　　同時(shí)，這類(lèi)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。李林自信地表示，Intersil在這類(lèi)產(chǎn)品上有單獨的技術(shù)團隊，根據自身的優(yōu)勢，為這類(lèi)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(dòng)車(chē)市場(chǎng)，Intersil推出了多個(gè)高性能的產(chǎn)品系列和解決方案，如多節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(shí)，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(hù)實(shí)現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(chēng)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(hù)將大功率充電系統的效率提升了一個(gè)等級，為節能環(huán)保型充電器的入市奠定了堅實(shí)的基礎。

　　除了電動(dòng)車(chē)充電外，無(wú)線(xiàn)充電則是消費電子領(lǐng)域的熱門(mén)應用，這方面請參考本刊2012年6月相關(guān)文章。而另一個(gè)值得關(guān)注的是太陽(yáng)能與光伏發(fā)電后的充電系統，這個(gè)系統的最大不同是直流發(fā)電后儲存電能，然后經(jīng)過(guò)DC-AC轉換后如何并入電網(wǎng)，這其中最關(guān)鍵的是效率、持續性與兼容性。