可用于能量輸送和儲(chǔ)存的鋰離子電池充電方案

便攜式設(shè)備的充電系統(tǒng)并非總是在設(shè)計(jì)中具有高優(yōu)先級(jí)，但它可以在系統(tǒng)的電池壽命中起主要作用，并且經(jīng)過(guò)適當(dāng)優(yōu)化后，可以允許使用比其他方式更小的電池組。被需要。不僅需要緊湊的電池管理控制器，而且還需要在戰(zhàn)術(shù)上部署智能以允許正確優(yōu)化電力系統(tǒng)。本文將討論鋰離子化學(xué)在充電方面的需求，以及可用于最大化能量輸送和儲(chǔ)存的技術(shù)，并總結(jié)可用于此目的的關(guān)鍵解決方案。

鋰離子與鎳鎘等舊技術(shù)相比，鋰離子電池化學(xué)技術(shù)極大地提高了便攜式設(shè)備的功率密度，并且隨之而來(lái)的是單次充電時(shí)這些系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間。鋰離子電池的自放電率為鎳鎘和鎳金屬氫化物的一半，這也有助于保質(zhì)期，允許設(shè)備充電，以便客戶在使用前不必購(gòu)買。

與早期化學(xué)相比，鋰離子的缺點(diǎn)是充電比舊技術(shù)更復(fù)雜。然而，可以采用謹(jǐn)慎的管理來(lái)最大化鋰離子的功率輸送，不僅為用戶提供更好的體驗(yàn)，而且還允許縮小設(shè)計(jì)以使用更小的電池。由于電池在可穿戴設(shè)備的尺寸和重量中占很大比例，因此通過(guò)將一個(gè)充電電路替換為另一個(gè)充電電路可以實(shí)現(xiàn)的任何節(jié)省都是顯著的。

鋰離子電池的關(guān)鍵問(wèn)題電池是因?yàn)樗鼈儗?duì)過(guò)度充電非常敏感，因?yàn)檫^(guò)高的電壓會(huì)引起材料應(yīng)力，從而縮短電池壽命。如果充電超過(guò)每個(gè)電池4.2 V的電壓，它們也會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

低成本的充電電路可以避免過(guò)度充電問(wèn)題，因?yàn)殡姵貨](méi)有達(dá)到實(shí)際極限。他們采用了所謂的“充電和運(yùn)行”策略，這種策略具有看起來(lái)很快的優(yōu)點(diǎn)。該策略利用了鋰離子充電曲線的特性，可將其分為四個(gè)關(guān)鍵階段。第一階段使用恒定電流供給電池。隨著電池充電，其電壓或多或少線性增加。電壓在峰值附近變平，此時(shí)充電器可以停止。但是，此時(shí)僅充電約85％，導(dǎo)致使用時(shí)間比理論上要低。

此外，出于安全考慮，截止電壓通常設(shè)置得低于最大電壓，進(jìn)一步降低了施加在電池上的最大電荷。截止電壓為3.8 V而不是4.2 V的典型最大值，因此只有60％的電池容量可用。充電的其余部分在飽和或恒定電壓階段期間執(zhí)行。雖然快速充電器可以通過(guò)增加充電電流來(lái)減少達(dá)到飽和階段所需的時(shí)間，但這具有延長(zhǎng)飽和階段的效果，需要仔細(xì)和精確地管理飽和階段以避免過(guò)應(yīng)力。

圖1：鋰離子電池的充電階段，包括在高溫條件下的熱調(diào)節(jié)階段。

很難檢測(cè)到電池充滿電，因此時(shí)間或電流水平用作代理，以指示電池已接近完全充電的程度。通常，飽和充電大約需要兩個(gè)小時(shí)，從而提供合理的設(shè)定時(shí)間。在飽和充電期間，電流呈指數(shù)下降。當(dāng)該電流達(dá)到第一階段所用電平的約百分之三時(shí)，電池通常被認(rèn)為是完全充電的并且該過(guò)程可以停止。飽和充電期間使用的電壓需要調(diào)節(jié)到百分之一或更好。執(zhí)行飽和充電的電路可以使用電流檢測(cè)和定時(shí)器來(lái)管理過(guò)程，以確保如果傳感器發(fā)生故障，電源將在一段時(shí)間后切斷，并防止金屬鋰積聚，從而導(dǎo)致火災(zāi)。

溫度也在控制充電中起作用。在第一階段，內(nèi)阻相對(duì)較低，電池不會(huì)顯著升溫。一旦進(jìn)入飽和階段，電池就會(huì)變得更暖和。因此，溫度傳感器對(duì)于確保電池不會(huì)過(guò)熱并存在安全風(fēng)險(xiǎn)非常重要。電池制造商將為其產(chǎn)品規(guī)定安全溫度限制，并且通常在電池組內(nèi)提供可與充電器電路中的ADC或比較器電路一起使用的熱敏電阻。

對(duì)于深度耗盡的電池，需要在第一階段之前進(jìn)行充電過(guò)程。這使用涓流充電來(lái)恢復(fù)耗盡電池的電荷 - 檢測(cè)到它們的電壓將低于3 V.一旦通過(guò)涓流過(guò)程提供足夠的電荷，電壓將升至3 V以上并且正常的第一階段充電過(guò)程可以接管。

凌力爾特公司的LTC4065充電器IC采用小尺寸DFN封裝，提供了如何組織反饋環(huán)路以支持鋰離子電池所需的各種充電模式的示例。該器件支持恒定電流和恒定電壓充電方案，以及一個(gè)恒定溫度，以允許有效充電接近電池的熱限制。為了支持高溫充電，LTC4065具有熱限制電路。這樣可以根據(jù)給定應(yīng)用的典型環(huán)境溫度（而非最壞情況）設(shè)置充電電流，并確保充電器在最壞情況下自動(dòng)降低電流。

在LTC4065中，三個(gè)放大器反饋環(huán)路控制恒定電流，恒定電壓和恒定溫度模式。第四個(gè)放大器反饋回路用于增加電流源對(duì)的輸出阻抗，以確保一個(gè)的漏極電流恰好是第二個(gè)的漏極電流的一千倍。用于恒定電流和恒定電壓操作的單獨(dú)反饋回路迫使充電器基于試圖最大程度地降低充電電流的任何一種模式。另一個(gè)放大器的輸出飽和，從而有效地從系統(tǒng)中消除了它的環(huán)路。當(dāng)處于恒流模式時(shí)，它將充電電流編程（PROG）引腳的電壓輸出精確驅(qū)動(dòng)為1 V. PROG引腳通過(guò)使用百分之一容差電阻（Rprog）對(duì)電流進(jìn)行編程。當(dāng)恒壓模式受到青睞時(shí)，恒壓環(huán)路將其反相輸入驅(qū)動(dòng)至內(nèi)部參考電壓。內(nèi)部電阻分壓器可確保電池電壓保持在4.2 V. PROG引腳電壓也可指示恒壓模式下的充電電流。

在典型工作中，充電周期始于常數(shù) - 電流模式 - 輸送到電池的電流等于1000 V/Rprog。如果LTC4065的功耗導(dǎo)致結(jié)溫接近115°C，則限溫放大器將開(kāi)始降低充電電流，將芯片溫度限制在大約115°C。一旦退出溫度限制模式，LTC4065將返回恒流模式或從恒溫模式進(jìn)入恒壓模式。無(wú)論模式如何，PROG引腳的電壓都與輸送到電池的電流成正比。

內(nèi)部定時(shí)器電路和涓流充電管理完善了有效鋰離子電池管理所需的功能。該器件提供±0.6％的浮動(dòng)電壓精度，僅需兩個(gè)外部元件。當(dāng)移除輸入電源時(shí)，LTC4065自動(dòng)進(jìn)入低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至1μA以下。施加電源后，LTC4065可進(jìn)入關(guān)斷模式，將電源電流降至20μA以下。

圖2：充電狀態(tài)流程圖LTC4065的決定與此類似。

與LTC4065類似，Maxim Integrated的MAX1551還具有片內(nèi)熱限制功能，可實(shí)現(xiàn)最佳充電，而不受最壞情況電池和輸入電壓的熱限制。當(dāng)達(dá)到熱限制時(shí)，MAX1551和MAX1555不會(huì)完全停止充電，而是逐漸降低充電電流，有助于在系統(tǒng)冷卻時(shí)保持功能。

采用SOT23封裝，類似于MAX1551和MAX1555，由Microchip Technology開(kāi)發(fā)的MCP73811提供恒壓和恒流充電，后者僅通過(guò)外部電阻進(jìn)行編程，并配有內(nèi)置熱傳感器控制溫度限制充電。

德州儀器（TI）的bq2409x系列器件是高度集成的線性充電器器件，面向空間受限的便攜式應(yīng)用。這些IC設(shè)計(jì)用于USB端口電源或可能不受調(diào)節(jié)的AC適配器，具有高輸入電壓范圍和輸入過(guò)壓保護(hù)。 bq2904x執(zhí)行調(diào)節(jié)，恒流和恒壓充電。在所有充電階段，內(nèi)部控制回路監(jiān)控IC結(jié)溫，并在超過(guò)內(nèi)部溫度閾值時(shí)降低充電電流。

雖然鋰離子電池需要充電技術(shù)的組合以充分利用更高容量的直接IC支持使得構(gòu)建便攜式和可穿戴系統(tǒng)變得更加容易，可以確保完全充電可以提供最長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間，并且可以將電池尺寸減小到重量和壽命之間的最佳權(quán)衡。