便攜式系統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(yáng)極電池為4.1伏，石墨陽(yáng)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(cháng)的充電保持或閑置壽命以及更高的充電次數。
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用而言常常是至關(guān)重要的。不過(guò)，要想充分利用電池容量或延長(cháng)電池壽命，必須極其嚴格地控制充電參數。
延長(cháng)電池壽命的關(guān)鍵是合理選擇充電參數，如電流、電壓和溫度。在充電過(guò)程中，施加電壓的精度對提高電池的效率和延長(cháng)電池的壽命具有非常重要的作用。超過(guò)充電終止電壓將導致過(guò)充電，這在短期內會(huì )增加電池的供電量，但長(cháng)期來(lái)說(shuō)則會(huì )導致電池失效并產(chǎn)生安全問(wèn)題。
充電終止電壓每提高1%，電池的初始容量就會(huì )增大約5%。這種顯而易見(jiàn)的短期增益效應會(huì )對電池的充電/放電次數產(chǎn)生嚴重的后果。過(guò)充電導致了充電次數的減少。
另一方面，欠充電盡管不會(huì )產(chǎn)生安全問(wèn)題，但會(huì )顯著(zhù)減小電池的容量。
一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池的充電原理在概念上非常簡(jiǎn)單。電池的等效電路通常被認為是由一個(gè)電容量很大的電容器與一個(gè)內部漏電電阻RLeakage組成的并聯(lián)電路。
電池導線(xiàn)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。這些參數是電池的機械結構和特殊化學(xué)成分的函數。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(lái)了特殊的挑戰。
鋰離子電池的充電方法有很多種。最簡(jiǎn)單的鋰離子電池充電器通常指的是恒壓(CV)充電器(見(jiàn)圖1)。它由與電池兩端相連的一個(gè)電流受限的恒壓源組成。它的電流被限制在電池容量以下，輸出電壓調節為電池終止電壓(炭陽(yáng)極電池是4.1V，石墨陽(yáng)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(shí)，電池兩端的電壓將會(huì )上升，而充電電流將逐漸變小。當充電電流下降到0.1C以下時(shí)，可以認為電池已被充滿(mǎn)。因為不主張涓流充電(trickle charg)，所以當充電結束時(shí)，充電器必須完全關(guān)閉或斷開(kāi)。為防止有缺陷的電池被不確定的電流充電，應使用后備定時(shí)器來(lái)終止充電過(guò)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(cháng)的充電時(shí)間。由于電源電壓保持恒定，隨著(zhù)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。當開(kāi)始充電時(shí)，CC/CV充電器首先施加一個(gè)等價(jià)于電池容量C的恒定電流。為防止在恒流充電周期中過(guò)充電，需要監視電池封裝兩端的電壓。當電壓上升到給定的終止電壓時(shí)，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(shí)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(huì )有任何被施加高電壓和發(fā)生過(guò)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%。在恒流周期結束后，充電器切換到恒壓周期。在恒壓周期，充電器通過(guò)監視充電電流來(lái)決定是否結束充電。與恒壓充電器一樣，當充電電流減小到電池的0.1C以下時(shí)充電周期結束。圖2顯示了一個(gè)完整的CC/CV充電過(guò)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(jìn)行快速充電可能會(huì )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(jìn)行充電。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們在前面的討論中有意忽略了另一個(gè)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(cháng)電池壽命的同時(shí)不能忽略潛在的安全問(wèn)題，這使我們越來(lái)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雜的電路。一般來(lái)說(shuō)，保護功能包括防止過(guò)放電、過(guò)充電、過(guò)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，如果任何參數超過(guò)了特定電池設置的限制值，電芯與電池終端之間的連接將斷開(kāi)。通常，當反向電壓被撤除或者電池被預置之后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，充電器將會(huì )復位。
除了電子保護以外，電池還包含機械的二級過(guò)流保護器件。一種聚合物正溫度系數(PPTC)過(guò)流保護器件被串聯(lián)在電池封裝與電芯終端之間。
當發(fā)生過(guò)流時(shí)，PPTC器件從低阻抗狀態(tài)轉換到高阻抗狀態(tài)，從而保護了電路。器件因I2R發(fā)熱效應產(chǎn)生的熱量導致它的溫度上升，而上述變化正是器件溫度快速增高的結果。
好的充電器設計必須能夠確定鋰離子電池是否可以安全、有效地進(jìn)行快速充電。下面是一些支持便攜式應用的充電器實(shí)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(gè)集成的導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(gè)功能在制造過(guò)程中非常有用，因為在對產(chǎn)品進(jìn)行測試和性能驗證時(shí)，它免除了插入電池的需要。
充電周期從插入電源變壓器開(kāi)始。充電器首先驗證輸入電壓，如果它在允許的范圍之內，充電器將啟動(dòng)電池認證過(guò)程。在這個(gè)階段，一個(gè)電流源向電池終端施加50mA電流，同時(shí)監視電壓。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(dòng)。電流的幅度是電池容量的函數，這可以參考電池制造商推薦的數值。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。在單電源供電系統中，為避免當工作電壓接近地電位時(shí)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量，LP3946的快速充電電流是在工廠(chǎng)按用戶(hù)的要求設定的。恒流源也可以在工廠(chǎng)設定成從500 mA到 950 mA之間按50 mA遞增的任何值。其它工廠(chǎng)可以預置的參數包括終止電壓(4.1或4.2V)和充電結束電流(0.1C、0.15C或0.2C)。
在恒流周期，為避免過(guò)充電，要非常精確地監視電池電壓。正如前面所描述的，如果超過(guò)電池的終止電壓，電池壽命將逐步縮短，而且這個(gè)效應是累積性的。在恒流充電過(guò)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確代表電芯的電壓。當在終止電壓結束恒流周期時(shí)，ESR的電壓降提供了一個(gè)保險裕度，使電池不會(huì )被施加過(guò)高的電壓。
在恒流周期，電池被充電到容量的80-85 %左右。在恒流周期結束之后，恒壓周期開(kāi)始啟動(dòng)。在這個(gè)周期，電池的充電電流為ICharger = (VBatt - Vcell)/ESR。在充電過(guò)程中，Vcell不斷升高而充電電流隨之下降。隨著(zhù)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確地代表電芯的實(shí)際電壓。
當電流下降到預置的充電結束 (EOC) 電流以下時(shí)，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，充電周期結束。在這時(shí)，充電器電路關(guān)閉，維護周期啟動(dòng)。在維護周期，當監視到電池電壓下降到3.9V以下時(shí)，充電周期重新開(kāi)始(假設檢測到的整流器信號有效)。
當電能消耗使電池電壓下降到3.0V以下時(shí)，快速充電被預認證周期替代。這主要是出于安全考慮，并避免對可能有故障的電池進(jìn)行快速充電。在正常運行時(shí)，如果電芯電壓下降到這個(gè)電平，內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(méi)有永久性損壞，則施加低水平的電流以逐步提高電池電壓，并使內部保護電路復位。作為一個(gè)后備保護器件，定時(shí)器計數器會(huì )記錄總的充電時(shí)間。如果電池經(jīng)過(guò)5.6小時(shí)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(diǎn)亮一個(gè)紅色LED，表示充電周期的開(kāi)始。EOC信號點(diǎn)亮一個(gè)綠色LED ，表示充電周期的結束。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(shí)接通。
BIPB輸入引腳是一個(gè)多功能引腳。它的主要功能是允許LP3946在沒(méi)有插入電池時(shí)作為L(cháng)DO來(lái)工作。在LDO模式，LP3946的輸出設定為4.1V。BIPB引腳還能被用于電池就位檢測功能，即當電池就位時(shí)，它將通過(guò)電池的ID電阻與地連通。
LP3946是一個(gè)典型的自維護充電器，它便于使用，而且只需要最少數量的外部元件。在充電周期，它實(shí)際上不需要用戶(hù)干預。然而，一些應用要求與充電器進(jìn)行更多的互動(dòng)。其主要原因是為了修改充電參數，以便使它們與被充電的電池類(lèi)型匹配。這樣的一個(gè)例子是標準電池與大負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定的充電參數進(jìn)行充電，但這需要更長(cháng)的充電時(shí)間。不過(guò)，因為安全的原因，相反的情形是不受推薦的。
LP3945-參數可編程的充電器
LP3945的應用電路如圖3所示。同樣，為了減小所需的PCB空間，它使用最少數量的外部元件。用戶(hù)可以通過(guò)I2C接口與該設備進(jìn)行通信。
除了可以改變電池的工作參數之外，用戶(hù)還可以通過(guò)I2C接口讀取EOC和CHG寄存器的狀態(tài)，從而查詢(xún)充電周期的狀態(tài)。
LP3945的特性在帶有(控制器的應用中可以得到充分利用。
結論
為了給快速增長(cháng)的一系列便攜式產(chǎn)品供電，人們正在開(kāi)發(fā)具有更寬工作溫度范圍、更高能量密度和更長(cháng)閑置壽命的電池。隨著(zhù)我們對電池特性的理解不斷深入，電池充電技術(shù)也在持續改進(jìn)。此外，新型應用導致新方法的出現，并創(chuàng )造新的需求。例如，從連接到PC的USB接口給電池充電。在這種應用中，USB協(xié)議要求連接到該端口的任何設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(guò)程必須從100mA電流開(kāi)始，充電器的輸入電壓只能為4.5V。一旦主機與設備之間建立通信后，主機將允許高功率工作模式。這樣的應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提供。
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