簡(jiǎn)化Li+電池充電器測試

摘要：為了簡(jiǎn)化測試過(guò)程，本文給出了一個(gè)電池仿真電路，可加快測試速度，在不帶實(shí)際電池的情況下實(shí)現對鋰離子電池充電器的測試。
關(guān)鍵詞： Li+；恒流-恒壓；電池；充電器；MAX1737

　　鋰離子(Li+)電池比其它化學(xué)類(lèi)型的電池更脆弱，對于違規操作具有非常小的容限。因此，鋰電池充電電路比較復雜，要求高精度電流、電壓設置。如果無(wú)法滿(mǎn)足這些精度要求，充電器可能無(wú)法將電池完全充滿(mǎn)，進(jìn)而降低電池壽命，或影響電池性能。

　　鑒于對Li+電池充電器的這些要求，對充電器設計進(jìn)行完全測試并在整個(gè)工作范圍內進(jìn)行分段測試非常重要。然而，采用常規負載(即Li+電池)測試Li+電池充電器將非常耗時(shí)，而且在實(shí)驗室和生產(chǎn)環(huán)境中也難于實(shí)現。為了簡(jiǎn)化測試過(guò)程，本文給出了一個(gè)電池仿真電路，可加快測試速度，在不帶實(shí)際電池的情況下實(shí)現對鋰離子電池充電器的測試。

CC-CV充電

　　鋰離子電池充電過(guò)程的第一階段需要中等精度的恒流(CC)充電，然后在第二階段過(guò)渡到高精度恒壓(CV)充電。

　　圖1為用于鋰離子電池充電器的CC-CV集成電路(MAX1737)的V-I特性曲線(xiàn)。這種類(lèi)型的IC是消費類(lèi)產(chǎn)品中所有鋰離子電池充電器的核心。圖中可清楚

　　看出CC (2.6V至4.2V電池電壓)和CV (4.2V)區域。

圖1. MAX1737的V-I曲線(xiàn)是Li+電池充電器的標準特性曲線(xiàn)

　　電池低于2.6V時(shí)，需要采用不同的充電技術(shù)。如果試圖對放電至2.6V以下的電池充電，充電器須提供一個(gè)較低的充電電流(“調理電流”)，將電池電壓充至2.6V。這是鋰離子電池過(guò)放電時(shí)所必須采取的安全機制。VBATT< 2.6V時(shí)強行進(jìn)行快速充電，會(huì )使電池進(jìn)入不可恢復的短路狀態(tài)。

　　CC向CV階段的過(guò)渡點(diǎn)的臨界容差為± 40mV。之所以要求如此嚴格的容差，是因為如果CV過(guò)低，電池將無(wú)法完全充滿(mǎn)；而CV過(guò)高，則會(huì )縮短電池的使用壽命。充電過(guò)程終止意味著(zhù)檢測到電池達到滿(mǎn)電量，充電器必須斷開(kāi)或關(guān)閉。在CV階段，當檢測到充電電流降至快充電流或最大充電電流的一定比例(通常< 10%)時(shí)終止充電。

Li+電池充電器參數測試

　　Li+電池充電器設計通常包括兩個(gè)基本部分：數字部分(控制狀態(tài)機)和模擬部分，模擬部分包括帶有高精度(>1%)基準、可精確控制的電流/電壓源。對鋰離子充電器(不僅指IC)進(jìn)行完全測試是一項非常棘手且耗費時(shí)間的工作，不僅僅限于對電流或電壓值進(jìn)行檢驗。

　　測試時(shí)，應該在整個(gè)工作范圍對充電器進(jìn)行分段檢測：包括CC階段、從CC到CV的切換、充電終止等。如上所述，測試的理想情況是采用常規充電器的負載：即Li+電池。然而，由于充電過(guò)程需要一小時(shí)甚至更長(cháng)時(shí)間，使用鋰電池進(jìn)行測試非常耗時(shí)。根據具體測試條件的不同：例如大容量電池+慢速充電，小容量電池+快速充電以及其它可能組合，測試時(shí)間也不盡相同。

　　此外，充電過(guò)程無(wú)法在保證不損壞電池的前提下提高充電電流，因為充電電流受電池最大充電速率(即快速充電電流)的制約。對于消費類(lèi)產(chǎn)品常用的電池，很少規定電流大于1C (在1小時(shí)內將電池完全放電的電流)。因此，大多數情況下完成整個(gè)充電周期所需要的時(shí)間往往超過(guò)兩小時(shí)。如果需要重復測試，則需要將電池完全放電 — 這一過(guò)程僅僅比充電稍微短一些?；蛘?，必須能夠隨時(shí)備有完全放電的電池。

　　另外可以使用一個(gè)模擬的理想負載替代真實(shí)電池進(jìn)行負載測試。仿真時(shí)，應驗證電路的直流響應和動(dòng)態(tài)穩定性。然而，使用功率測試所用的標準負載進(jìn)行電池仿真非常困難。與大多數電源測試使用的負載不同，電池不能簡(jiǎn)單地當作電阻或固定地吸入電流。如上所述，必須在整個(gè)工作范圍內進(jìn)行分段測試。以下介紹的Li+充電器測試電路完全滿(mǎn)足這些要求。

選擇電池模型負載

　　我們先討論兩個(gè)必須考慮但最終放棄的建模方法。電池負載建模的方法之一是：使用一個(gè)具有源出(放電)和吸入(充電)電流能力的電壓源與代表電池內阻的電阻串聯(lián)。由于Li+電池要求精確控制終止電壓和充電電流，目前所有Li+充電器實(shí)際上是穩壓電源轉換器。

　　此外，由于穩壓電源變換器(充電器)的穩定性取決于負載(電池)的動(dòng)態(tài)特性，因此必須選擇一個(gè)與模型非常相似的負載。否則，測試只能驗證充電器本身的V-I特性。

　　如果只是進(jìn)行一次性測試，可以使用并聯(lián)型穩壓器與電阻串聯(lián)，這足以模擬電池的內阻，并且，這一簡(jiǎn)單的電池模型完全可以滿(mǎn)足測試要求。這種方法的優(yōu)勢是由充電器本身供電。然而，更嚴格的測試需要更精確的模型。該模型采用內部電壓源，電壓值是充電過(guò)程中供給電池的總電荷的函數。

　　用恒流源對電池充電時(shí)電壓將不斷變化，以一定的正斜率上升。這是由于放電和其它電池內部化學(xué)變化過(guò)程中，電池正極周?chē)鄯e的極化離子逐漸減少。因此，充電器的工作點(diǎn)取決于電池連接時(shí)間的長(cháng)短，以及電池的工作歷史。用大多數電子實(shí)驗室能夠找到的通用器件構建負載，以模擬這一復雜負載的模型很困難。

　　需要經(jīng)常對充電電路進(jìn)行測試，或必須詳細描述電路特性時(shí)，準確模擬充電過(guò)程的電池非常有用。模擬過(guò)程需要連續掃描充電器的所有直流工作點(diǎn)。模擬電路還要顯示結果，使操作人員可以查找問(wèn)題、故障和干擾。如果模擬電路能夠提供電池電壓輸出和信號，這些結果可以直接作為示波器信號。測試速度可以加快(從幾小時(shí)到數十秒)，并可根據需要進(jìn)行多次反復，比用真正的電池測試更方便。然而，測試速度加快后對確定充電電源的熱效應不利。因此，可能需要額外的長(cháng)時(shí)間測試，以便與充電電源和調節電路的熱時(shí)間常數相吻合。

建立電池模型負載

　　圖2電路模擬的是單節鋰離子電池。充電器CC階段的終止充電電壓和快速充電電流由充電器設置決定。仿真器初始化時(shí)，可設置完全放電條件下內部電池電壓為3V，但該電壓可以提升到4.3V，以測試過(guò)充電情況。3V初始值通常用于低電池電壓關(guān)斷電路(用來(lái)終止鋰離子電池放電過(guò)程)。這種設計專(zhuān)門(mén)針對終止充電壓為4.2V的標準CC-CV鋰離子電池充電器。該設計調整起來(lái)很容易，能夠適應非標準終止電壓和完全放電電壓的測試。測試時(shí)充電器用高達3A的充電電流驅動(dòng)仿真電路，受功率晶體管功耗的限制。圖2電路模擬了電池電壓增加的情況，電池電壓是從仿真電路設置為完全放電狀態(tài)開(kāi)始，電路充電電流的函數。

　　根據圖中給出的參數值，充電電流為1A時(shí)，積分時(shí)間常數使模擬電路在6至7秒內達到充電器的4.2V限制。對電流范圍、內阻、充電終止電壓和完全放電電壓的模擬是在鋰離子電池(本例中指Sony US18650G3)典型參數的基礎上完成的。所仿真的電池電壓沒(méi)有考慮環(huán)境溫度的影響。

圖2  單節Li+電池充電情況的仿真電路，該電路可以在不使用實(shí)際電池的情況下測試Li+電池充電器

　　并聯(lián)穩壓器設計采用MAX8515并聯(lián)穩壓器和一對雙極型功率晶體管(選擇該穩壓器時(shí)考慮了其內部基準電壓的精度)，大電流TIP35晶體管安裝在能夠耗散25W熱量的散熱器上。

　　MAX4163雙運放的其中一個(gè)放大器用來(lái)對充電電流積分，另一個(gè)放大器對電流測量信號進(jìn)行放大和偏置。該運算放大器具有較高的電源抑制比，并可支持滿(mǎn)擺幅輸入/輸出范圍，簡(jiǎn)化了兩種功能電路的設計。注意，與電池仿真器正端串聯(lián)的0.100Ω電流檢測電阻同時(shí)也作為電池內阻。

　　在具有自動(dòng)測試-數據采集功能的系統內工作時(shí)，可用外部信號將仿真電池復位到完全放電狀態(tài)。另外，手動(dòng)操作測試設置時(shí)，可用按鍵復位。

　　利用單刀單擲開(kāi)關(guān)可以選擇仿真電池的兩種工作模式。擲向A端時(shí)，實(shí)現積分充電仿真器，如上所述。擲向B端時(shí)，仿真器將設定在某一固定的直流工作點(diǎn)對充電器進(jìn)行現場(chǎng)測試時(shí)的輸出電壓和吸電流。為實(shí)現這一功能，“設置”電壓可通過(guò)改變50kΩ可變電阻，在2.75V至5.75V之間手動(dòng)調整。這些設置電壓值與內部吸入電流有關(guān)。仿真器端實(shí)測電壓(VBATT)等于設定電壓加上吸電流流經(jīng)仿真電池內阻(0.100Ω電阻)產(chǎn)生的壓降。仿真電路工作時(shí)的電源取自電池充電器輸出。

仿真電路的性能

　　圖3為模擬鋰離子電池充電至4.2V時(shí)獲得的典型V-I波形。從圖中可以看出兩個(gè)測試過(guò)程：一個(gè)是以1A初始快充電流充電(曲線(xiàn)B和D)，另一個(gè)是以2A快充電流充電(曲線(xiàn)A和C)。這兩種情況下，首先進(jìn)入CC階段充電，直到電池電壓達到終止電壓4.2V。在此之后，電流呈指數衰減，而仿真電池的電壓保持不變。充電電流為2A時(shí)到達終止電壓所需的時(shí)間更短，與預期設計相同。然而，請注意，電流加倍不會(huì )使充電時(shí)間減半，只會(huì )使到達CV模式的時(shí)間減半，與真實(shí)電池負載的測試情況一樣。

　　圖4為兩個(gè)不同設置電壓：3V和4.1V時(shí)的吸電流V-I曲線(xiàn)。兩個(gè)曲線(xiàn)的動(dòng)態(tài)電阻(用斜率表示)僅僅是由0.100Ω電阻模擬的電池內阻。

圖3  根據圖2電池仿真電路繪制出的圖形，快速充電波形表明兩種條件下電池充電器的工作情況，分別是：CC階段提供1A (曲線(xiàn)B和D)和2A (曲線(xiàn)A和C)充電電流

圖4  圖2電路在電壓為4.1V (上部曲線(xiàn))和3V (下部曲線(xiàn))時(shí)的吸入電流，兩種情況下斜率均代表0.1Ω內阻

結語(yǔ)

　　由于鋰離子電池充電過(guò)程需要一小時(shí)或更長(cháng)時(shí)間，利用實(shí)際負載測試鋰電池充電器將非常耗時(shí)，而且往往不切實(shí)際。為了加快電池充電器測試，本文介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單電路，用來(lái)模擬鋰離子電池。該電路提供了一個(gè)不使用實(shí)際電池對鋰電池充電器進(jìn)行測試的有效手段。

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