簡化鋰離子(Li+)電池充電器測試

摘要：由于Li+電池充電器的充電過程會持續(xù)一個小時甚至更長的時間，利用實際負載(即電池)對充電器進行測試將非常耗時。本應用筆記介紹了一種簡單的Li+電池仿真方法，與采用實際電池進行測試相比，這種方法能夠更加方便地測試Li+電池充電器。

類似文章還發(fā)表在Maxim工程期刊第64期(PDF，2.5MB)。

概述

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

鑒于對Li+電池充電器的這些要求，對充電器設計進行完全測試并在整個工作范圍內(nèi)進行分段測試非常重要。然而，采用常規(guī)負載(即Li+電池)測試Li+電池充電器將非常耗時，而且在實驗室和生產(chǎn)環(huán)境中也難于實現(xiàn)。為了簡化測試過程，本文給出了一個電池仿真電路，可加快測試速度，在不帶實際電池的情況下實現(xiàn)對Li+電池充電器的測試。

CC-CV充電

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

圖1為用于Li+電池充電器的CC-CV集成電路(MAX1737)的V-I特性曲線。這種類型的IC是消費類產(chǎn)品中所有Li+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(qū)域。


圖1. MAX1737的V-I曲線是Li+電池充電器的標準特性曲線。

電池低于2.6V時，需要采用不同的充電技術。如果試圖對放電至2.6V以下的電池充電，充電器須提供一個較低的充電電流(“調(diào)理電流”)，將電池電壓充至2.6V。這是Li+電池過放電時所必須采取的安全機制。VBATT < 2.6V時強行進行快速充電，會使電池進入不可恢復的短路狀態(tài)。

CC向CV階段的過渡點的臨界容差為±40mV。之所以要求如此嚴格的容差，是因為如果CV過低，電池將無法完全充滿；而CV過高，則會縮短電池的使用壽命。

充電過程終止意味著檢測到電池達到滿電量，充電器必須斷開或關閉。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%)時終止充電。

Li+電池充電器參數(shù)測試

Li+電池充電器設計通常包括兩個基本部分：數(shù)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(優(yōu)于1%)基準、可精確控制的電流/電壓源。對Li+充電器(不僅指IC)進行完全測試是一項非常棘手且耗費時間的工作，不僅僅限于對電流或電壓值進行檢驗。

測試時，應該在整個工作范圍對充電器進行分段檢測：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(guī)充電器的負載：即Li+電池。然而，由于充電過程需要一小時甚至更長時間，使用Li+電池進行測試非常耗時。根據(jù)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，測試時間也不盡相同。

此外，充電過程無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。對于消費類產(chǎn)品常用的電池，很少規(guī)定電流大于1C (在1小時內(nèi)將電池完全放電的電流)。因此，大多數(shù)情況下完成整個充電周期所需要的時間往往超過兩小時。

如果需要重復測試，則需要將電池完全放電—這一過程僅僅比充電稍微短一些?；蛘?，必須能夠隨時備有完全放電的電池。

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

選擇電池模型負載

我們先討論兩種需要考慮的建模方法，但并未采納這些方法。

電池負載建模的方法之一是：使用一個具有源出(放電)和吸入(充電)電流能力的電壓源與代表電池內(nèi)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+充電器實際上是穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器。

此外，由于穩(wěn)壓電源變換器(充電器)的穩(wěn)定性取決于負載(電池)的動態(tài)特性，因此必須選擇一個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。

如果只是進行一次性測試，可以使用并聯(lián)型穩(wěn)壓器與電阻串聯(lián)，這足以模擬電池的內(nèi)阻，并且，這一簡單的電池模型完全可以滿足測試要求。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(nèi)部電壓源，電壓值是充電過程中供給電池的總電荷的函數(shù)。

用恒流源對電池充電時電壓將不斷變化，以一定的正斜率上升。這是由于放電和其它電池內(nèi)部化學變化過程中，電池正極周圍累積的極化離子逐漸減少。因此，充電器的工作點取決于電池連接時間的長短，以及電池的工作歷史。采用大多數(shù)實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)常對充電電路進行測試，或必須詳細描述電路特性時，準確模擬充電過程的電池非常有用。模擬過程需要連續(xù)掃描充電器的所有直流工作點。模擬電路還要顯示結(jié)果，使操作人員可以查找問題、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(jié)果可以直接作為示波器信號。

測試速度可以加快(從幾小時到數(shù)十秒)，并可根據(jù)需要進行多次反復，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，可能需要額外的長時間測試，以便與充電電源和調(diào)節(jié)電路的熱時間常數(shù)相吻合。

建立電池模型負載

圖2電路模擬的是單節(jié)Li+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，可設置完全放電條件下內(nèi)部電池電壓為3V，但該電壓可以提升到4.3V，以測試過充電情況。3V初始值通常用于低電池電壓關斷電路(用來終止Li+電池放電過程)。這種設計專門針對終止充電壓為4.2V的標準CC-CV Li+電池充電器。該設計調(diào)整起來很容易，能夠適應非標準終止電壓和完全放電電壓的測試。


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

測試時充電器用高達3A的充電電流驅(qū)動仿真電路，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)開始，電路充電電流的函數(shù)。

根據(jù)圖中給出的參數(shù)值，充電電流為1A時，積分時間常數(shù)使模擬電路在6至7秒內(nèi)達到充電器的4.2V限制。對電流范圍、內(nèi)阻、充電終止電壓和完全放電電壓的模擬是在Li+電池(本例中指Sony? US18650G3)典型參數(shù)的基礎上完成的。所仿真的電池電壓沒有考慮環(huán)境溫度的影響。

并聯(lián)穩(wěn)壓器設計采用MAX8515并聯(lián)穩(wěn)壓器和一對雙極型功率晶體管(選擇該穩(wěn)壓器時考慮了其內(nèi)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雙運放的其中一個放大器用來對充電電流積分，另一個放大器對電流測量信號進行放大和偏置。該運算放大器具有較高的電源抑制比，并可支持滿擺幅輸入/輸出范圍，簡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電流檢測電阻同時也作為電池內(nèi)阻。

在具有自動測試-數(shù)據(jù)采集功能的系統(tǒng)內(nèi)工作時，可用外部信號將仿真電池復位到完全放電狀態(tài)。另外，手動操作測試設置時，可用按鍵復位。

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

仿真電路的性能

圖3為模擬Li+電池充電至4.2V時獲得的典型V-I波形。從圖中可以看出兩個測試過程：一個是以1A初始快充電流充電(曲線B和D)，另一個是以2A快充電流充電(曲線A和C)。這兩種情況下，首先進入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(shù)衰減，而仿真電池的電壓保持不變。充電電流為2A時到達終止電壓所需的時間更短，與預期設計相同。然而，請注意，電流加倍不會使充電時間減半，只會使到達CV模式的時間減半，與真實電池負載的測試情況一樣。


圖3. 根據(jù)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B和D)和2A (曲線A和C)充電電流。

圖4為兩個不同設置電壓：3V和4.1V時的吸電流V-I曲線。兩個曲線的動態(tài)電阻(用斜率表示)僅僅是由0.100Ω電阻模擬的電池內(nèi)阻。


圖4. 圖2電路在電壓為4.1V (上部曲線)和3V (下部曲線)時的吸入電流，兩種情況下斜率均代表0.1Ω內(nèi)阻。

總結(jié)

由于Li+電池充電過程需要一小時或更長時間，利用實際負載測試Li+充電器將非常耗時，而且往往不切實際。為了加快電池充電器測試，本文介紹了一個簡單電路，用來模擬Li+電池。該電路提供了一個不使用實際電池對鋰電池充電器進行測試的有效手段。