鋰離子充電的過(guò)程和解決開(kāi)關(guān)式充電的方案

鋰離子充電

充電或放電速率通常根據(jù)電池容量來(lái)表示。這一速度稱為C速率。C速率等于特定條件下的充電或放電電流，定義如下：

I=M×Cn

其中：

I = 充電或放電電流，A

M = C的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)

C = 額定容量的數(shù)值，Ah

N = 小時(shí)數(shù)（對(duì)應(yīng)于C）。

以1倍C速率放電的電池將在一個(gè)小時(shí)內(nèi)釋放標(biāo)稱的額定容量。例如，如果標(biāo)稱容量是1000mAhr，那么1C的放電速率對(duì)應(yīng)于1000mA的放電電流，C/10的速率對(duì)應(yīng)100mA的放電電流。

通常生產(chǎn)商標(biāo)定的電池容量都是指n=5時(shí)，即5小時(shí)放電的容量。例如，上述電池在200mA恒流放電時(shí)能夠提供5小時(shí)的工作時(shí)間。理論上該電池在1000mA恒流放電時(shí)能夠提供1小時(shí)的工作時(shí)間。然而實(shí)際上由于大電池放電時(shí)效能降低，此時(shí)的工作時(shí)間將小于1小時(shí)。

那么怎樣才能正確地為鋰離子電池充電呢？鋰離子電池最適合的充電過(guò)程可以分為四個(gè)階段：涓流充電、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。參考圖1。

階段1：涓流充電——涓流充電用來(lái)先對(duì)完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充（恢復(fù)性充電）。在電池電壓低于3V左右時(shí)，先采用最大0.1C的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電。

階段2：恒流充電——當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時(shí)，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。恒流充電時(shí)的電流并不要求十分精確，準(zhǔn)恒定電流也可以。在線性充電器設(shè)計(jì)中，電流經(jīng)常隨著電池電壓的上升而上升，以盡量減輕傳輸晶體管上的 散熱問(wèn)題。

大于1C的恒流充電并不會(huì)縮短整個(gè)充電周期時(shí)間，因此這種做法不可取。當(dāng)以更高電流充電時(shí)，由于電極反應(yīng)的過(guò)壓以及電池內(nèi)部阻抗上的電壓上升，電池電壓會(huì)更快速地上升。恒流充電階段會(huì)變短，但由于下面恒壓充電階段的時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，因此總的充電周期時(shí)間并不會(huì)縮短。

階段3：恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，恒流充電結(jié)束，開(kāi)始恒壓充電階段。為使性能達(dá)到最佳，穩(wěn)壓容差應(yīng)當(dāng)優(yōu)于+1%。

階段4：充電終止——與鎳電池不同，并不建議對(duì)鋰離子電池連續(xù)涓流充電。連續(xù)涓流充電會(huì)導(dǎo)致金屬鋰出現(xiàn)極板電鍍效應(yīng)。這會(huì)使電池不穩(wěn)定，并且有可能導(dǎo)致突然的自動(dòng)快速解體。

有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器（或者兩者的結(jié)合）。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時(shí)終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)充電兩個(gè)小時(shí)后終止充電過(guò)程。

上述四階段的充電法完成對(duì)完全放電電池的充電約需要2.5至3小時(shí)。高級(jí)充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口（通常為0℃至45℃），那么充電會(huì)暫停。

要快速可靠地完成充電過(guò)程需要一個(gè)高性能的充電系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到以下系統(tǒng)參數(shù)：

輸入源

許多應(yīng)用都采用極廉價(jià)的墻式適配器作為輸入電源。其輸出電壓主要依賴于交流輸入電壓和從墻式適配器流出的負(fù)載電流。

在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的墻面插座上交流母線輸入電壓的變化范圍一般為90VRMS至132VRMS。假設(shè)額定輸入電壓為120VRMS，容差為+10%， ?25%。充電器必須為電池提供適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓措施，從而不受輸入電壓的影響。充電器的輸入電壓與交流母線電壓和充電電流成比例：

VO=2VIN×a-1O（REQ+RPTC）-2×VFD

REQ是次級(jí)繞組的電阻與初級(jí)繞組反射電阻（RP/a2）的和。RPTC是PTC的電阻，VFD是橋式整流器的前向壓降。此外變壓器磁芯損失也會(huì)使輸出電壓略有降低。

利用汽車適配器充電的應(yīng)用也會(huì)遇到類似的問(wèn)題。汽車適配器的輸出電壓典型范圍為9V至18V。

恒流充電的速率和精度

特定應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇可能要由充電電流來(lái)決定。許多大恒流充電應(yīng)用或多節(jié)電池充 電應(yīng)用都采用開(kāi)關(guān)式充電解決方案來(lái)獲得更高的效率并避免產(chǎn)生過(guò)多熱量。出于尺寸和成本方面的考慮，低檔和中檔的快速充電應(yīng)用則傾向于采用線性解決方案，然 而線性解決方案會(huì)以熱的形式損失更多能耗。對(duì)于線性充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，恒流充電的容差變得極為重要。如果穩(wěn)壓容差太大，傳輸晶體管和其他元器件都需要更大體 積，從而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充電電流過(guò)小，整個(gè)充電周期將會(huì)延長(zhǎng)。

輸出電壓的穩(wěn)定精度

為了盡可能地充分利用電池容量，輸出電壓穩(wěn)壓精度非常關(guān)鍵。輸出電壓精度的小幅度下降也會(huì)導(dǎo)致電池容量的大幅減少。然而出于安全和可靠性方面的考慮，輸出電壓也不能隨意設(shè)置得過(guò)高。圖2顯示出了輸出電壓穩(wěn)定精度的重要性。

充電終止方法

毋庸置疑，過(guò)充始終是鋰離子電池充電的心頭大患。準(zhǔn)確的充電終止方法對(duì)于安全可靠的充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

電池溫度監(jiān)控

一般情況下，鋰離子電池充電時(shí)的溫度范圍應(yīng)當(dāng)在0℃至45℃。在此溫度范圍之外對(duì)電池充電會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱。在充電周期中，電池內(nèi)的壓力上升還會(huì) 導(dǎo)致電池膨脹。溫度與壓力直接相關(guān)。隨著溫度上升，壓力也會(huì)過(guò)大，這可能會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的機(jī)械破裂或材料泄漏，嚴(yán)重時(shí)還有可能導(dǎo)致爆炸。在此溫度范圍之外 對(duì)電池充電還會(huì)損害電池的性能，或縮短電池的預(yù)期壽命。

通常鋰離子電池包內(nèi)都采用了熱敏電阻來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量電池溫度。充電器檢測(cè)熱敏電阻的阻值，當(dāng)阻值超出規(guī)定工作范圍，即溫度超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，充電被禁止。

電池放電電流或反向泄漏電流

在許多應(yīng)用中，即使輸入電源不存在，充電系統(tǒng)仍然與電池相連。充電系統(tǒng)必須保證輸入電源不存在時(shí)，從電池汲取的電流極小。最大泄漏電流應(yīng)當(dāng)小于幾個(gè)微安，通常應(yīng)小于一個(gè)微安。

鋰離子充電——應(yīng)用實(shí)例

將以上幾點(diǎn)系統(tǒng)注意事項(xiàng)事先充分考慮，就能開(kāi)發(fā)出適合的充電管理系統(tǒng)。

線性解決方案

當(dāng)存在穩(wěn)壓良好的輸入電源時(shí)，通常采用線性充電解決方案。在此類應(yīng)用中，線性解決方案的優(yōu)點(diǎn)包括易用、尺寸小以及成本低。由于線性充電解決方案 效率低，因此影響設(shè)計(jì)的最重要因素就是散熱設(shè)計(jì)。散熱設(shè)計(jì)是輸入電壓、充電電流以及傳輸晶體管和環(huán)境冷卻空氣間的熱阻。最糟的情況是器件從涓流充電階段向 恒流充電階段轉(zhuǎn)換時(shí)，在此情況下，傳輸晶體管必須散發(fā)最大的熱能，必須在充電電流、系統(tǒng)尺寸、成本和散熱要求之間進(jìn)行權(quán)衡。

例如，應(yīng)用中需要利用一個(gè)5V ±5%的輸入電源以0.5C或1C的恒定電流對(duì)一個(gè)1000mAh的單節(jié)鋰離子電池充電。圖3顯示了如何利用Microchip的 MCP73843構(gòu)成一個(gè)低成本的獨(dú)立解決方案，只需要極少量的外部元器件，就可以實(shí)現(xiàn)所需要的充電算法。MCP73843完美地結(jié)合了高精度恒流充電、 恒壓穩(wěn)壓以及自動(dòng)充電終止等功能。

為進(jìn)一步減小線性解決方案的尺寸、降低其成本和復(fù)雜性，許多外部元器件都可以集成到充電管理控制器中。先進(jìn)的封裝可以提供更高的集成度，當(dāng)然也 會(huì)犧牲一定的靈活性。此類封裝需要先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，許多情況下避免了返工。通常會(huì)集成充電電流檢測(cè)、傳輸晶體管以及反向放電保護(hù)。此外此類充電管理控制器 還會(huì)實(shí)現(xiàn)一定的熱調(diào)節(jié)功能。熱調(diào)節(jié)功能可根據(jù)器件管芯溫度來(lái)限制充電電流，從而可在保證器件可靠性的情況下優(yōu)化充電周期時(shí)間，熱調(diào)節(jié)功能大大降低了散熱設(shè) 計(jì)的工作量。

鋰離子充電——系統(tǒng)注意事項(xiàng)

基于Microchip MCP73861的全集成線性解決方案如圖4所示。MCP73861包含了MCP73843的所有功能，另外還包括電流檢測(cè)、傳輸晶體管、反向放電保護(hù)以及電池溫度監(jiān)測(cè)。

充電周期波形

利用MCP73843在1C和0.5C恒流充電速率下的整個(gè)充電周期如圖5。以0.5C而不是1C速率充電時(shí)，充電結(jié)束的時(shí)間大約晚了一個(gè)小 時(shí)。MCP73843在快速充電過(guò)程中會(huì)按充電電流成比例地縮減充電終止電流。結(jié)果是充電時(shí)間延長(zhǎng)36%，好處則是電池容量增加2%，同時(shí)還減少了功率損 耗。充電終止電流從0.07C降到0.035C，使得最終電池容量從~98%增長(zhǎng)到~100%。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須在充電時(shí)間、功率損耗和可用電池容量之間進(jìn) 行權(quán)衡。

開(kāi)關(guān)式充電解決方案

輸入電壓波動(dòng)范圍寬或輸入輸出電壓差大的應(yīng)用通常采用開(kāi)關(guān)式充電解決方案。此類應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)式解決方案的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以提高效率，缺點(diǎn)則是系統(tǒng)復(fù)雜、尺寸相對(duì)較大且成本較高。例如應(yīng)用中需要利用汽車適配器以0.5C或1C的恒定電流對(duì)一個(gè)2200mAh的單節(jié)鋰離子電池充電，由于散熱等問(wèn)題，利用線性解決方案實(shí)現(xiàn)極為困難，當(dāng)然也可以采用支持熱調(diào)節(jié)的線性解決方案，但降低充電電流造成的充電周期延長(zhǎng)是無(wú)法接受的。

成功設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)式充電解決方案的第一步是選擇設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：降壓式、升壓式、升/降壓式、反激式、單端初級(jí)電感式（SEPIC）或者其他形式。根據(jù)輸 入和輸出要求以及經(jīng)驗(yàn)，可以迅速將適用于該應(yīng)用的選擇范圍縮小為兩種結(jié)構(gòu)：降壓式還是SEPIC式。降壓式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是僅需要一個(gè)電感，而缺點(diǎn)是需要額 外的二極管用于反向放電保護(hù)、高端柵極驅(qū)動(dòng)和電流檢測(cè)，以及脈沖式輸入電流（會(huì)導(dǎo)致EMI）。SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是低端柵極驅(qū)動(dòng)和電流檢測(cè)、持續(xù)輸 入電流以及輸入和輸出間的直流隔離，其主要缺點(diǎn)是需要兩個(gè)電感和一個(gè)能量傳輸電容。

MCP1630是一款可配合單片機(jī)使用的高速脈寬調(diào)制器（PWM），配合單片機(jī)，MCP1630可控制電源系統(tǒng)占空比，提供輸出電壓或電流穩(wěn)定 功能。PIC16F684單片機(jī)可用于輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流，以及開(kāi)關(guān)頻率和最大占空比的調(diào)整。MCP1630產(chǎn)生占空比，并可根據(jù)不同外部輸入提供快速過(guò)流保 護(hù)。外部信號(hào)包括輸入振蕩器、參考電壓、反饋電壓和電流檢測(cè)。輸出信號(hào)是一個(gè)方波脈沖。充電器采用的電源結(jié)構(gòu)是SEPIC。單片機(jī)提供了極大的設(shè)計(jì)靈活 性。此外單片機(jī)還可以與電池包內(nèi)的電池監(jiān)控器（Microchip的PS700）通信，從而大大縮短充電周期時(shí)間。

充電周期波形

利用開(kāi)關(guān)式充電解決方案的整個(gè)充電周期如圖6所示。通過(guò)在充電系統(tǒng)中采用電池監(jiān)控器，可以大大縮短充電周期，使用電池監(jiān)控器就不必再檢測(cè)電池包保護(hù)電路兩端的電壓以及充電電流的接觸電阻。

結(jié)論

在目前的便攜式產(chǎn)品中，要正確地實(shí)現(xiàn)電池充電需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)考慮。本文討論了鋰離子電池的線性和開(kāi)關(guān)式充電解決方案，本文所探討的指導(dǎo)原則和設(shè)計(jì)考慮要素，實(shí)際上也是所有電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要考慮的。