新充電器解決方案可實現(xiàn)更高的電池組電壓和更高的充電效率

在世紀(jì)之交，成本的降低和電池性能的提高，特別是基于鋰離子電池的電池，推動了電池供電的儲能和便攜式設(shè)備的穩(wěn)定增長。此外，超級電容器（又名超級電容器）由于其獨特的特性，越來越多地用于各種應(yīng)用。鉛酸電池是一項擁有 150 年歷史的技術(shù)，至今仍廣泛用于汽車、輪椅、踏板車、高爾夫球車和不間斷電源 （UPS） 系統(tǒng)。這些儲能設(shè)備一旦能量耗盡就必須充電。2019年全球充電IC出貨量為11.6億個，預(yù)計到2024年將增長到17.2億個，年增長率為8.6%。收入分別為5，181億美元和7，354億美元，復(fù)合年增長率為7.3%。圖1顯示了這一趨勢，根據(jù)OMDIA的“功率IC市場跟蹤器-2019”。1

圖1.充電IC的世界市場。

對更大功率的需求，以及更長的范圍或運行時間，決定了儲能設(shè)備中使用的電壓的增加。例如，鋰離子電池組已經(jīng)從一個或兩個電池變?yōu)槎鄠€（最多12個）電池，用于機(jī)器人，無人機(jī)，電動工具和許多其他事物。12 節(jié)鋰離子電池組提供 50.4 V 的最大電壓。在相同的額定電流下，12 芯電池的使用壽命是 12 節(jié)電池的 12 倍。或者，可以并聯(lián) 12 個電池以獲得更高的功率，但這種方法會增加 12× 的電流。較高的電流會導(dǎo)致更多的傳導(dǎo)損耗，因此不首選并聯(lián)電池。

帶備用電池的應(yīng)急照明、UPS 備用電源和 HVAC 等工業(yè)系統(tǒng)使用 24 V直流電源 — 即使用 24 V 電池來備份這些系統(tǒng)。The 24 V直流然而，根據(jù)IEC 61131-2和IEC 60664-1標(biāo)準(zhǔn)，電源在瞬態(tài)條件下的峰值電壓可能會上升到60 V。

無論哪種情況，設(shè)備都需要能夠適應(yīng)更高電池電壓并在瞬態(tài)事件期間承受更高輸入電壓的充電器解決方案。

充電器基礎(chǔ)知識

有許多充電器拓?fù)?。線性充電器通過電源開關(guān)降低電源和電池之間的電壓差。這種類型的充電器效率最低，因為當(dāng)電源和電池之間的電壓差很大時，它會在電源開關(guān)上消耗大量功率。升壓充電器將電源電壓升壓至電池電壓。這種拓?fù)湟箅娫措妷旱陀陔姵仉妷?。降壓充電器降低電源電壓，并要求電源電壓高于電池電壓。降?升壓充電器可以使用高于或低于電池電壓的電源電壓為電池充電。這種拓?fù)湫枰膫€電源開關(guān)（降壓需要兩個），并且通常效率不高。

同步整流降壓充電器效率最高，也是本文的重點。圖2所示為通用同步整流降壓充電器電路。如今，大多數(shù)降壓充電器的工作電壓相對較低。許多充電器的額定輸入電壓僅為 28 V，有些為 40 V.允許 ±10% 的輸入電壓調(diào)節(jié)和降壓充電器兩端的 2 V 壓降，實際上只能為 5S 鋰離子電池組充電（最大值）。我們將研究一個新的60 V輸入充電器IC系列，該系列允許更高電壓充電（高達(dá)52 V電池電壓（或12節(jié)鋰離子電池組），并且可以承受65 V輸入電壓瞬變。

圖2.通用同步整流降壓充電器。

充電器的待機(jī)電流應(yīng)較低，以節(jié)省能源。能源之星為手機(jī)充電器和其他待機(jī)功耗為 30 mW 或更低的小型充電器分配五顆星。一顆星是 300 mW 或更高的充電器，介于兩者之間的其他所有產(chǎn)品還有其他額定值。能源之星旨在減少個人充電器的電流消耗，這些充電器在不使用時大多是插電的。在任何給定時間，全球有超過10億個這樣的充電器連接到電網(wǎng)。?

盡管鉛酸電池、鋰離子電池和超級電容器都是儲能器件，但它們具有非常獨特的充電/放電特性。我們將研究這些特性，并討論每個特性的充電解決方案。良好的電池充電器可提供電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時。

鉛酸電池充電器

鉛酸是現(xiàn)存最古老的可充電電池，由法國醫(yī)生加斯頓·普蘭特于 1859 年發(fā)明。2一百五十年后，它仍然廣泛用于汽車、輪椅、踏板車、電動自行車、高爾夫球車和 UPS 系統(tǒng)。

鉛酸電池必須緩慢充電。典型的充電時間為 8 到 16 小時。電池必須始終以充電狀態(tài)存儲，并且定期完全飽和充電對于防止硫酸鹽化至關(guān)重要。通常的做法是在大約 70 小時內(nèi)將鉛酸電池充電至 8%，再用 8 小時進(jìn)行最重要的吸收充電。如果鉛酸偶爾收到完全飽和的電荷以防止硫酸化，則部分充電是可以的。長時間將電池置于浮充狀態(tài)不會造成損壞。

找到理想的充電電壓限值至關(guān)重要。高電壓（高于2.45 V/節(jié)）可產(chǎn)生良好的電池性能，但由于正極板上的網(wǎng)格腐蝕而縮短了使用壽命。低電壓限制受負(fù)極板上硫酸鹽化的影響。溫度也會影響電池電壓，典型值為 –5 mV/°C（每節(jié)電池每 10°F 0.028 V）。3一個好的充電器必須補償這個溫度系數(shù)，以避免電池在熱時過度充電或在冷時充電不足。

例如，MAX17702（見圖3）是一款完整的鉛酸電池充電器控制器，設(shè)計工作在4.5 V至60 V輸入電壓范圍。該器件提供高效率（超過 97%）、高電壓、同步降壓解決方案，可為 12 V/24 V/48 V 鉛酸電池組充電。圖4a和4b顯示了其充電周期和充電效率。

圖3.高壓鉛酸蓄電池充電器控制器。

圖 4a. MAX17702 鉛酸充電周期

圖 4b. MAX17702 充電效率

鉛酸電池能量密度低，不適合便攜式設(shè)備。這就是鋰基電池發(fā)揮作用的地方。

鋰離子電池充電器

鋰離子電池因其重量輕和高能量密度而成為便攜式應(yīng)用、重工業(yè)、電動動力總成和衛(wèi)星的普遍接受的電池。

鋰離子電池是一種低維護(hù)電池。電池沒有記憶，不需要鍛煉（故意完全放電）即可保持良好狀態(tài)。但它需要內(nèi)置在電池組內(nèi)部和充電器中的保護(hù)電路，以防止短路、過充電、熱失控和過放電。如果鋰離子電池在低于 1.5 V/電池的情況下停留一周或更長時間，則可能會形成可能危及安全性的枝晶。

為了防止過放電，內(nèi)置電池保護(hù)電路使電池進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)將電池存放在放電狀態(tài)下時，會發(fā)生這種情況，在該狀態(tài)下，自放電會將電壓帶到截止點。普通充電器將此類電池視為無法使用，并且電池組經(jīng)常被丟棄。先進(jìn)的鋰離子電池充電器包括喚醒功能或“預(yù)充電”，以便在鋰離子電池因過度放電而入睡時進(jìn)行充電。在預(yù)充電模式下，充電器施加小充電電流，將電壓安全地提高到 2.2 V/節(jié)和 2.9 V/節(jié)之間，以激活保護(hù)電路，此時開始正常充電。

在正常充電期間，鋰離子充電器在恒流恒壓 （CCCV） 下運行。充電電流是恒定的，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的限值時，電壓被封頂。達(dá)到電壓限制時，電池飽和;電流下降，直到電池?zé)o法再接受進(jìn)一步充電并且充電終止。每個電池都有自己的低電流閾值。

鋰離子電池在充電時應(yīng)始終保持涼爽。鋰離子不能吸收過充電。因此，監(jiān)測電池溫度及其充電電壓以確保電池健康和安全非常重要。一個好的充電器必須包括這些功能。

圖5顯示了一個高級鋰離子電池充電器的示例。MAX17703為高效率、高電壓、同步、降壓充電器控制器，設(shè)計工作在4.5 V至60 V寬輸入電壓范圍。該器件為多達(dá) 12 個鋰離子電池組提供完整的充電解決方案。

圖5.先進(jìn)的高壓鋰離子電池充電器電路。

該器件分別提供 ±4% 和 ±1% 的精確 CCCV 充電電流/電壓。當(dāng)充電電流降至錐形電流閾值時，充電器進(jìn)入充充狀態(tài)，然后在錐度計時器周期過后退出充電。當(dāng)輸出電壓低于再充電閾值電壓時，充電器啟動再充電周期。如果長時間留在充電座中，這是一個很好的功能，可以保持電池充滿電，而不會使用太多功率并符合能源之星的要求。該設(shè)備可以檢測深度放電的電池并進(jìn)行預(yù)處理，并通過預(yù)充電功能喚醒它們。為了增加保護(hù)，該器件會感應(yīng)電池溫度，并僅在溫度范圍內(nèi)充電。還有輸入短路保護(hù)功能，可防止輸入意外短路時電池放電。圖6給出了MAX17703的充電周期。

圖6.MAX17703鋰離子電池充電周期

超級電容器充電器

超級電容器越來越多地用于各種應(yīng)用，這要歸功于它們相對于電池的獨特優(yōu)勢。超級電容器基于靜電原理工作，沒有化學(xué)反應(yīng)，避免了與電池化學(xué)存儲相關(guān)的壽命問題。它們的高耐用性允許數(shù)百萬次充電/放電循環(huán)，使用壽命長達(dá) 20 年，比電池高一個數(shù)量級。它們的低阻抗可在幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)快速充電和放電。這一點，再加上它們在長時間內(nèi)保持電荷的適度能力，使超級電容器成為需要短充電和放電周期的應(yīng)用的理想選擇。它們還與電池并聯(lián)使用，用于在負(fù)載轉(zhuǎn)換期間需要瞬時功率輸送峰值的應(yīng)用中。

超級電容器的短充電和放電周期要求充電器處理大電流，并在充電期間以恒流 （CC） 模式平穩(wěn)工作，充電可能從 0 V 開始，一旦達(dá)到最終輸出值，則在恒壓 （CV） 模式下工作。在高壓應(yīng)用中，許多超級電容器串聯(lián)連接，需要充電器來管理高輸入和輸出電壓。

MAX17701（見圖7）為高效率、高電壓、同步、降壓型超級電容充電器控制器，設(shè)計用于大電流充電，工作在輸入電壓范圍（V糖尿病腎上腺素） 的 4.5 V 至 60 V。輸出電壓可編程范圍為 1.25 V 至 （V糖尿病腎上腺素– 4 V）。該器件使用一個外部 N-MOSFET 來提供輸入電源側(cè) OR‘ing 功能，從而防止超級電容器放電回輸入端。圖8顯示了簡單但高電流的充電曲線。

圖7.超級電容器高電壓、大電流充電器。

圖8.MAX17701超級電容充電曲線

結(jié)論

電池供電的儲能和便攜式設(shè)備的使用穩(wěn)步增長。對更大功率的需求，以及更長的范圍或運行時間，決定了電池組中使用的電壓的增加。在采用 24 V 電壓的工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用直流電源在瞬態(tài)條件下可以看到 60 V 峰值電壓。傳統(tǒng)充電器解決方案大多限制為 28 V 輸入。ADI公司較新的充電器解決方案采用高壓、同步降壓充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)更高的電池組電壓和更高的充電效率。

鉛酸電池、鋰基電池和超級電容器都是具有非常獨特的充電/放電特性的儲能設(shè)備，需要專用充電器才能獲得最佳充電解決方案。先進(jìn)的電池充電器還提供足夠的保護(hù)，以提供電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時。這些在較新的充電器解決方案中也得到了解決。

審核編輯：郭婷