電池充電IC電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

ID:988595 · 發(fā)表于 2022-3-8 10:36

為電池充電很簡單（理論上） - 在端子和電池充電之間施加電壓。如果安全充電，快速充電和/或最大電池壽命很重要，那么事情就會(huì)變得復(fù)雜。本文將考慮鎳氫（NiMH），鎳鎘（NiCd），鋰離子（Li-ion）和鉛酸（PbA）電池充電的各個(gè)方面。
電子設(shè)備中最常見的三種電池是鎳氫，鎳鎘和鋰離子電池。對(duì)于這些電池，C速率是定義充電參數(shù)時(shí)的重要考慮因素。"C"是指電池在一小時(shí)內(nèi)放電時(shí)的容量。例如，額定容量為1，000mAh的電池可以在0.33C下充電，從而在三小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生約0.33mA的充電電流以達(dá)到完全充電。這些電池的容量是相對(duì)于最小允許電壓確定的，稱為截止電壓。通常，正是這個(gè)電壓定義了電池的"空"狀態(tài)。此時(shí)，仍有剩余電量，但將其拔出可能會(huì)損壞電池。
對(duì)于 PbA 電池，在定義充電方法時(shí)，安培小時(shí) （Ah）額定值通常是一個(gè)重要的考慮因素。電池的Ah額定值是根據(jù)完全放電計(jì)算的;不考慮截止電壓，也不一定是實(shí)際可用容量。

為電子設(shè)備中的電池充電
鎳氫和鎳鎘電池的標(biāo)稱電壓約為1.2 V/節(jié)，通常每節(jié)電池應(yīng)充電至1.5V至1.6 V。增量溫度（dT/dt）、溫度閾值、峰值電壓檢測、負(fù)三角電壓和簡單計(jì)時(shí)器是用于確定何時(shí)停止為鎳氫和鎳鎘電池充電的方法。對(duì)于更關(guān)鍵的應(yīng)用，一個(gè)或多個(gè)可以組合在單個(gè)充電器中。

簡單恒流穩(wěn)壓器電池充電電路框圖

一般鋰離子充電注意事項(xiàng)
在適當(dāng)謹(jǐn)慎的情況下，上面顯示的CCR電池充電器可用于為鋰離子電池充電。鋰離子電池通常充電至4.2V/節(jié)，容量為0.5C或更低至接1C，有時(shí)充電速率較慢。挑戰(zhàn)在于將溫度上升保持在5°C以下。充電過程中較高的溫度可能導(dǎo)致火災(zāi)等災(zāi)難性事件。鋰離子電池的溫度通常在充電的最后階段上升最多。該CCR控制器試圖通過不包括第二個(gè)較低速率的充電級(jí)來消除該潛在問題。消除第二個(gè)充電階段有助于延長電池壽命，此外還有助于保持電池安全運(yùn)行。然而，消除第二充電階段也意味著電池只能充電到約0.85C，或最大容量的85%。
除非鋰離子電池充電非常緩慢（通常為0.15 C甚至更低），否則在達(dá)到4.2V/節(jié)電壓時(shí)終止充電只會(huì)將電池充電至最大0.7C。有些電池可能只能達(dá)到0.4C。
可以對(duì)鋰電池進(jìn)行低于4.2V/節(jié)的充電，但不建議這樣做。雖然其他電池化學(xué)成分不在低電壓下充電，但Li電池將充電，但不會(huì)達(dá)到完全充電。在較低電壓下充電的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)壽命大幅提高，但容量要低得多。
雖然簡單的恒流電池充電電路可以提供低成本和相對(duì)緩慢的充電，但需要多級(jí)技術(shù)才能獲得更好的性能。對(duì)于鋰離子電池，必須終止充電;涓流充電是不可接受的。鋰離子電池的過度充電會(huì)損壞電池，可能會(huì)使鋰金屬電鍍并變得危險(xiǎn)。
下圖說明了為鋰電池充電的更優(yōu)化方法。如果電池已完全或幾乎完全耗盡，則該過程將從涓流充電開始，然后是稍微快一點(diǎn)的預(yù)充電。一旦達(dá)到預(yù)定的充電水平，根據(jù)要充電的特定電池，就會(huì)基于恒流方法進(jìn)行快速充電，直到達(dá)到臨界電池電壓（通常約為4.2V/節(jié)）。接下來是恒壓充電以完成該過程。此時(shí)，充電終止，并且不向電池施加電壓。

鋰離子電池充電曲線

鋰離子充電有許多替代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩種常見的是窄電壓直流和混合動(dòng)力升壓充電，針對(duì)特定用例進(jìn)行了優(yōu)化。

窄電壓直流
窄電壓直流（NVDC）最初是英特爾™一項(xiàng)計(jì)劃，旨在通過降低筆記本電腦和平板電腦中系統(tǒng)負(fù)載的電壓范圍來提高系統(tǒng)效率。這是通過將通常的電池充電器替換為包含降壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)充電器來實(shí)現(xiàn)的。這樣可以優(yōu)化DC/DC（降壓）轉(zhuǎn)換器并消除電源路徑開關(guān)，從而節(jié)省功耗、電路板面積和成本。
下圖是NVDC實(shí)現(xiàn)的示例。系統(tǒng)通過降壓轉(zhuǎn)換器連接到適配器。NVDC在電池充電時(shí)以及當(dāng)電池補(bǔ)充適配器以提供系統(tǒng)電源時(shí)，NVDC作為降壓轉(zhuǎn)換器工作。

NVDC電池充電IC，適用于超級(jí)書籍或平板電腦等應(yīng)用

由于電壓變化較低，NVDC具有比混合動(dòng)力升壓（HPB）充電器更高的整體效率（將在下一節(jié)中討論），并且通常提供更好的線路瞬態(tài)響應(yīng)。NVDC的兩個(gè)缺點(diǎn)包括：
較低的系統(tǒng)電壓會(huì)導(dǎo)致較高的總線電流，從而增加PCB走線中的傳導(dǎo)損耗，并抵消了使用較低額定電壓器件實(shí)現(xiàn)的一些節(jié)能效果。
由于使用了額定電流功率的FET和電感器，因此充電器的尺寸、成本和功耗可能更高。
混合動(dòng)力增壓充電NVDC和HPB都使適配器和電池能夠協(xié)同工作，以便在系統(tǒng)負(fù)載超過適配器額定值時(shí)為其供電。HPB將電池能量反向提升到系統(tǒng)總線。同時(shí)，NVDC配置可快速打開QBAT（上圖中），使電池能夠輔助適配器并提供系統(tǒng)電源。
在HPB配置中，降壓轉(zhuǎn)換器在適配器提供系統(tǒng)電源并為電池充電時(shí)正常工作。當(dāng)適配器電源不足時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器反向運(yùn)行，使電池能夠補(bǔ)充適配器。HPB可以使用傳統(tǒng)適配器實(shí)現(xiàn)。

混合電源升壓電池充電器簡化原理圖

HPB的實(shí)施需要改變電池充電器控制器。與傳統(tǒng)電池充電器相比，HPB允許電池在需要時(shí)提供補(bǔ)充電源。缺點(diǎn)是充電系統(tǒng)的輕負(fù)載效率較低。
例如，在平板電腦和筆記本電腦中，HPB已被用于使CPU和GPU在玩游戲時(shí)同時(shí)達(dá)到其最高性能。在這種情況下，交流適配器和電池可以同時(shí)為系統(tǒng)供電。當(dāng)電池電量高于40%時(shí)，HPB將自動(dòng)運(yùn)行，具體取決于程序要求。當(dāng)HPB運(yùn)行時(shí)，電池正在放電。當(dāng)電池電量降至 30% 以下時(shí)，HPB 操作將暫停，電池開始充電。

鉛酸的三階段充電
鉛酸電池還需要多個(gè)充電階段才能獲得最佳性能。但是，與上面討論的鋰電池相比，這是一個(gè)簡單得多的過程。PbA電池充電器有兩到五個(gè)充電階段，而三級(jí)充電器（也稱為三相或三步）是最常見的。這三個(gè)階段是;體積，吸收和涓涓細(xì)流。
用于三相PbA充電的DIN41773型號(hào)為"IUoU"。IUoU代表："I"（恒流，批量充電），"Uo"（恒壓，吸收充電）和"U"（也是恒壓，涓流充電）。無論給這三個(gè)階段貼上什么標(biāo)簽，目標(biāo)都是在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)為電池充滿電，保持較長的電池壽命，并且只要連接到充電器，電池就會(huì)無限期地保持充滿電。
在散裝階段，假設(shè)提供電池安培小時(shí)（Ah）額定值的約25%的恒定電流，電池將達(dá)到約80%的完全充電。這25%的數(shù)字可能因制造商而異，要求批量充電率低至Ah額定值的10%。在幾乎每種情況下，在批量階段充電速度超過Ah額定值的25%都會(huì)縮短電池壽命。智能充電器可用于盡可能快地為電池充電，同時(shí)將電池溫度保持在100°F以下。雖然這可能是有效的，但它也可能會(huì)縮短某些電池的使用壽命，因此應(yīng)遵循制造商的建議。

密封鉛酸蓄電池的三階段充電方案

在吸收階段（有時(shí)稱為"均衡階段"），剩余的20%的充電完成。在此階段，控制器將切換到恒壓模式，保持目標(biāo)充電電壓，通常在14.1Vdc和14.8Vdc之間，具體取決于要充電的特定類型的鉛酸電池，同時(shí)相應(yīng)地降低充電電流。如果電池已損壞（例如，由于永久硫酸鹽的積聚）并且電流沒有按預(yù)期下降，則充電器應(yīng)關(guān)閉或立即切換到浮充級(jí)。
充電器將充電電壓降低到13.0Vdc至13.8Vdc之間，同樣取決于在浮動(dòng)階段充電的特定類型的鉛酸電池。充電電流降至電池Ah額定值的1%以上。鉛酸電池可以無限期地保持漂浮狀態(tài)。事實(shí)上，保持電池處于浮動(dòng)狀態(tài)將增加電池的使用壽命，因?yàn)樗俗苑烹姷目赡苄�，將電池耗盡到不可接受的低水平并造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

總結(jié)
電池充電在理論上很簡單，但獲得最大電池性能和使用壽命的實(shí)際實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜得多，并且通常需要多級(jí)充電。雖然恒流穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)可以有效地為鎳氫和鎳鎘電池充電，但它們對(duì)鋰和PbA電池的充電效果較差。對(duì)于鋰電池和PbA電池，需要多級(jí)恒流充電和恒壓充電的各種組合，以確保最佳性能，延長電池壽命并提供安全操作。

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