在為系統供電的同時(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控制架構已成為當前的重點(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衡。

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

我們將討論系統和充電器互動(dòng)，如電池充電定時(shí)器錯誤終止等，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和充電器提供獨立的電源路徑，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)還能避免系統崩潰，并能夠在為系統供電的同時(shí)還向經(jīng)過(guò)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(xiàn)圖。大多數專(zhuān)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：預充階段、快充恒流階段 (CC) 以及恒壓終止階段 (CV)。在預充電階段，以低速率(通常為快充速率的 1/10)對電池充電，這時(shí)的電池電壓低于 3.0 V。這有助于恢復電池的鈍化層，鈍化層在深度放電狀態(tài)下存儲時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )溶解。另外，還可以在過(guò)充時(shí)，陽(yáng)極短路的電池出現部分銅分解的情況下防止以 1C 充電(1C是指一小時(shí)內可使電池完全放電的放電電流)發(fā)生過(guò)熱。所具備的預充電安全定時(shí)器能夠避免長(cháng)時(shí)間給充不進(jìn)電的電池 (dead battery) 充電。若電池電壓達到典型的 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(guò)熱進(jìn)而加速電池老化。選擇充電速率時(shí)，應保證電池的溫度不超過(guò) 450C。電池在達到規定電壓限度(對 LiCoO2 陰極而言通常為每節電池 4.2 V，對 Li-Ni-Mn-Co 化合物以及 LiCoO2 陰極結合型電池而言通常為4.4V)前一直以快速充電速度充電。充電電流以指數級降至預定義終止水平時(shí)，充電器開(kāi)始調節電池電壓并進(jìn)入 CV 充電終止階段。為避免給充不進(jìn)電的電池過(guò)長(cháng)時(shí)間充電，我們通常需要采用快充安全定時(shí)器。到達安全時(shí)間后，電池充電器必須停止工作，即便此時(shí)電池尚未達到終止電流也應如此。

電池容量是電池電壓的函數。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會(huì )加快，并且鈷材料在化學(xué)反應過(guò)程中將永久消失。因此，可用的能量存儲材料會(huì )越來(lái)越少，從而造成電池化學(xué)容量的損耗。盡管其一開(kāi)始能獲得約 10% 的更多存儲容量，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% 的總容量。因此，電池充電電壓的準確度致關(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% 的總容量時(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部電阻。電池內部電阻越低，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(cháng)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。這是因為，如果充電速率快于 1C，那么額外可用的鋰離子就會(huì )變?yōu)殛?yáng)極的金屬鋰。金屬鋰是一種非?；钴S的金屬，很容易同電解液發(fā)生反應，從而導致永久性的鋰損失。因此，我們建議電池充電速度不應高于 1C。

電池充電器與系統互動(dòng)

圖 4 顯示了最常用的電池充電與系統電源架構，這種系統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提供電源，這有助于簡(jiǎn)化架構，進(jìn)而降低成本。不過(guò)，將系統負載連接到電池也會(huì )導致各種問(wèn)題，如造成更長(cháng)的電池充電時(shí)間，終止充電，以及錯誤的安全定時(shí)器警報等。

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)供應系統與充電器。ICHG 是充電器可控制的電流，充電器根據電流決定如何充電。因此，充電器不能直接監控有效電池充電電流IBAT。

在預充電階段，預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。系統負載 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(cháng)電池充電時(shí)間，而且還有可能導致預充電定時(shí)器在電池電壓未在預充電定時(shí)器時(shí)限內升至 3V 電壓情況下錯誤報告時(shí)間已到。這時(shí)就會(huì )產(chǎn)生錯誤的預充電安全定時(shí)器警報，因為這時(shí)預充電電流不足的原因并非由電池故障造成的。此外，系統電流甚至有可能大于預充電電流，電池會(huì )放電，而不是被充電。為了解決這一問(wèn)題，系統應為關(guān)斷模式或低靜態(tài)電流待機模式，這樣預充電電流就能專(zhuān)門(mén)用于電池充電，使電池在預充電安全定時(shí)器時(shí)限內充到 3.0V 以上。同樣，一旦電池進(jìn)入快充階段，系統負載會(huì )繼續“盜用”充電輸出的一部分充電電流，從而延長(cháng)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)出錯誤警報。

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)間并解決系統與電池充電器的互動(dòng)問(wèn)題，電池充電器輸出應專(zhuān)用于為電池充電。圖 5顯示了簡(jiǎn)化的電源路徑管理電池充電器結構圖。我們用 MOSFET Q1 對系統總線(xiàn)電壓 VOUT 進(jìn)行預調節，或用作開(kāi)關(guān)，這就建立起從輸入到系統的直接路徑。將 MOSFET Q2 專(zhuān)用于全面控制電池充電器。這樣，電池與系統之間就不會(huì )再相互干擾。這種電源架構可為系統電源和電池充電建立兩個(gè)獨立的路徑，稱(chēng)為電源路徑管理 (PPM)。專(zhuān)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)器錯誤終止的問(wèn)題。此外，其還可以確保系統在為深度放電電池充電期間繼續運行，因為不管有沒(méi)有電池，系統總線(xiàn)電壓都會(huì )通過(guò) MOSFET Q1 調節為設定值，如 4.4V。諸如智能電話(huà)、PDA 以及 MP3 播放機等應用要求不管在有無(wú)電池的情況下都應確保用戶(hù)繼續通過(guò)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)可監控系統總線(xiàn)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),連接在系統總線(xiàn)中的電容器 Co 開(kāi)始放電，系統總線(xiàn)電壓也會(huì )下降。一旦系統總線(xiàn)電壓降至預設的 DPPM 閾值，電池充電控制系統將通過(guò)降低電池充電電流來(lái)調節系統總線(xiàn)電壓，這樣系統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，從而可避免系統總線(xiàn)電壓下降。DPPM 控制機制試圖達到一種穩狀條件，使系統獲得必需的電流，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。大多數系統負載的脈動(dòng)電流都較高，動(dòng)態(tài)變化大。由于系統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和電池充電器的最大峰值功率為基礎來(lái)確定額定功率的話(huà)，就會(huì )使適配器的設計大大超標。DPPM 控制技術(shù)使用戶(hù)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)現系統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。系統和電池充電器的總電流超過(guò) AC 適配器電流限度或 USB 電流限度時(shí)，連接至系統總線(xiàn)的電容器 C0會(huì )開(kāi)始放電，系統總線(xiàn)電壓開(kāi)始下降。當系統總線(xiàn)電壓下降到 DPPM 引腳設定的預定閾值時(shí)，我們也會(huì )降低充電電流，以維持系統總線(xiàn)電壓，避免系統因 AC 適配器過(guò)載而崩潰。如果即便充電電流降至 0A，也不能維持系統總線(xiàn)電壓，那么電池就會(huì )暫時(shí)放電，并為系統提供電源以避免系統崩潰。

為了確保系統安全工作，DPPM 電壓閾值通常低于 OUT 引腳的規定電壓。我們需要使 OUT 引腳處系統電壓和 DPPM 閾值之間保持足夠的電壓差，才能適當終止充電。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。我們用熱調節環(huán)路 (thermal regulation loop) 來(lái)降低充電電流，從而避免硅芯片溫度超過(guò) 125℃。只要充電電流因處于工作狀態(tài)的熱調節或 DPPM 工作而降低，那么就會(huì )自動(dòng)調節安全定時(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 或熱調節環(huán)路處于工作狀態(tài)時(shí)錯誤地終止充電。

結語(yǔ)

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。如果將系統直接連接至電池，那么通常會(huì )延長(cháng)電池的充電時(shí)間，因為系統會(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和電池之間提供彼此獨立的電源路徑，從而避免充電器和系統之間發(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)繼續保持系統工作。

參考文獻：
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制，《電源學(xué)報》2002 年 9 月第 111 期第 130~136 頁(yè)