电池充电IC电路设计基础

电池充电电路设计基础

为电池充电很简单(理论上) - 在端子和电池充电之间施加电压。如果安全充电,快速充电和/或最大电池寿命很重要,那么事情就会变得复杂。本文将考虑镍氢(NiMH),镍镉(NiCd),锂离子(Li-ion)和铅酸(PbA)电池充电的各个方面。

电子设备中最常见的三种电池是镍氢,镍镉和锂离子电池。对于这些电池,C速率是定义充电参数时的重要考虑因素。"C"是指电池在一小时内放电时的容量。例如,额定容量为1,000mAh的电池可以在0.33C下充电,从而在三小时内产生约0.33mA的充电电流以达到完全充电。这些电池的容量是相对于最小允许电压确定的,称为截止电压。通常,正是这个电压定义了电池的"空"状态。此时,仍有剩余电量,但将其拔出可能会损坏电池。

对于 PbA 电池,在定义充电方法时,安培小时 (Ah) 额定值通常是一个重要的考虑因素。电池的Ah额定值是根据完全放电计算的;不考虑截止电压,也不一定是实际可用容量。

为电子设备中的电池充电

镍氢和镍镉电池的标称电压约为1.2 V/节,通常每节电池应充电至1.5V至1.6 V。增量温度(dT/dt)、温度阈值、峰值电压检测、负三角电压和简单计时器是用于确定何时停止为镍氢和镍镉电池充电的方法。对于更关键的应用,一个或多个可以组合在单个充电器中。


恒流稳压器电池充电电路框图
简单恒流稳压器电池充电电路框图

一般锂离子充电注意事项

在适当谨慎的情况下,上面显示的CCR电池充电器可用于为锂离子电池充电。锂离子电池通常充电至4.2V/节,容量为0.5C或更低至接1C,有时充电速率较慢。挑战在于将温度上升保持在5°C以下。 充电过程中较高的温度可能导致火灾等灾难性事件。锂离子电池的温度通常在充电的最后阶段上升最多。该CCR控制器试图通过不包括第二个较低速率的充电级来消除该潜在问题。消除第二个充电阶段有助于延长电池寿命,此外还有助于保持电池安全运行。然而,消除第二充电阶段也意味着电池只能充电到约0.85C,或最大容量的85%。

除非锂离子电池充电非常缓慢(通常为0.15 C甚至更低),否则在达到4.2V/节电压时终止充电只会将电池充电至最大0.7C。有些电池可能只能达到0.4C。

可以对锂电池进行低于4.2V/节的充电,但不建议这样做。虽然其他电池化学成分不在低电压下充电,但Li电池将充电,但不会达到完全充电。在较低电压下充电的一个优点是循环寿命大幅提高,但容量要低得多。

虽然简单的恒流电池充电电路可以提供低成本和相对缓慢的充电,但需要多级技术才能获得更好的性能。对于锂离子电池,必须终止充电;涓流充电是不可接受的。锂离子电池的过度充电会损坏电池,可能会使锂金属电镀并变得危险。

下图说明了为锂电池充电的更优化方法。如果电池已完全或几乎完全耗尽,则该过程将从涓流充电开始,然后是稍微快一点的预充电。一旦达到预定的充电水平,根据要充电的特定电池,就会基于恒流方法进行快速充电,直到达到临界电池电压(通常约为4.2V/节)。接下来是恒压充电以完成该过程。此时,充电终止,并且不向电池施加电压。


锂离子电池充电曲线
锂离子电池充电曲线


锂离子充电有许多替代拓扑结构。两种常见的是窄电压直流和混合动力升压充电,针对特定用例进行了优化。

窄电压直流

窄电压直流(NVDC)最初是英特尔™一项计划,旨在通过降低笔记本电脑和平板电脑中系统负载的电压范围来提高系统效率。这是通过将通常的电池充电器替换为包含降压转换器的系统充电器来实现的。这样可以优化DC/DC(降压)转换器并消除电源路径开关,从而节省功耗、电路板面积和成本。

下图是NVDC实现的示例。系统通过降压转换器连接到适配器。NVDC在电池充电时以及当电池补充适配器以提供系统电源时,NVDC作为降压转换器工作。


NVDC电池充电器
NVDC电池充电IC,适用于超级书籍或平板电脑等应用

由于电压变化较低,NVDC具有比混合动力升压(HPB)充电器更高的整体效率(将在下一节中讨论),并且通常提供更好的线路瞬态响应。NVDC的两个缺点包括:

较低的系统电压会导致较高的总线电流,从而增加PCB走线中的传导损耗,并抵消了使用较低额定电压器件实现的一些节能效果。
由于使用了额定电流功率的FET和电感器,因此充电器的尺寸、成本和功耗可能更高。

混合动力增压充电

NVDC和HPB都使适配器和电池能够协同工作,以便在系统负载超过适配器额定值时为其供电。HPB将电池能量反向提升到系统总线。同时,NVDC配置可快速打开QBAT(上图中),使电池能够辅助适配器并提供系统电源。

在HPB配置中,降压转换器在适配器提供系统电源并为电池充电时正常工作。当适配器电源不足时,降压转换器反向运行,使电池能够补充适配器。HPB可以使用传统适配器实现。

混合电源升压电池充电器
混合电源升压电池充电器简化原理图

HPB的实施需要改变电池充电器控制器。与传统电池充电器相比,HPB允许电池在需要时提供补充电源。缺点是充电系统的轻负载效率较低。

例如,在平板电脑和笔记本电脑中,HPB已被用于使CPU和GPU在玩游戏时同时达到其最高性能。在这种情况下,交流适配器和电池可以同时为系统供电。当电池电量高于40%时,HPB将自动运行,具体取决于程序要求。当HPB运行时,电池正在放电。当电池电量降至 30% 以下时,HPB 操作将暂停,电池开始充电。

铅酸的三阶段充电

铅酸电池还需要多个充电阶段才能获得最佳性能。但是,与上面讨论的锂电池相比,这是一个简单得多的过程。PbA电池充电器有两到五个充电阶段,而三级充电器(也称为三相或三步)是最常见的。这三个阶段是;体积,吸收和涓涓细流。

用于三相PbA充电的DIN41773型号为"IUoU"。IUoU代表:"I"(恒流,批量充电),"Uo"(恒压,吸收充电)和"U"(也是恒压,涓流充电)。无论给这三个阶段贴上什么标签,目标都是在相对较短的时间内为电池充满电,保持较长的电池寿命,并且只要连接到充电器,电池就会无限期地保持充满电。

在散装阶段,假设提供电池安培小时(Ah)额定值的约25%的恒定电流,电池将达到约80%的完全充电。这25%的数字可能因制造商而异,要求批量充电率低至Ah额定值的10%。在几乎每种情况下,在批量阶段充电速度超过Ah额定值的25%都会缩短电池寿命。智能充电器可用于尽可能快地为电池充电,同时将电池温度保持在100°F以下。虽然这可能是有效的,但它也可能会缩短某些电池的使用寿命,因此应遵循制造商的建议。


密封铅酸蓄电池的三阶段充电方案
密封铅酸蓄电池的三阶段充电方案

在吸收阶段(有时称为"均衡阶段"),剩余的20%的充电完成。在此阶段,控制器将切换到恒压模式,保持目标充电电压,通常在14.1Vdc和14.8Vdc之间,具体取决于要充电的特定类型的铅酸电池,同时相应地降低充电电流。如果电池已损坏(例如,由于永久硫酸盐的积聚)并且电流没有按预期下降,则充电器应关闭或立即切换到浮充级。

充电器将充电电压降低到13.0Vdc至13.8Vdc之间,同样取决于在浮动阶段充电的特定类型的铅酸电池。充电电流降至电池Ah额定值的1%以上。铅酸电池可以无限期地保持漂浮状态。事实上,保持电池处于浮动状态将增加电池的使用寿命,因为它消除了自放电的可能性,将电池耗尽到不可接受的低水平并造成不可逆转的损坏。

总结

电池充电在理论上很简单,但获得最大电池性能和使用寿命的实际实现要复杂得多,并且通常需要多级充电。虽然恒流稳压器设计可以有效地为镍氢和镍镉电池充电,但它们对锂和PbA电池的充电效果较差。对于锂电池和PbA电池,需要多级恒流充电和恒压充电的各种组合,以确保最佳性能,延长电池寿命并提供安全操作。

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2021-12-27 15:49