使用鋰離子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電池充電器

本文中，我們將舉例說(shuō)明如何使用鋰離子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電池充電器。鋰離子電池充電器通常采用恒流(CC) — 恒壓(CV)充電曲線。充電過(guò)程會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)不同的階段，在確保電池容量充滿(mǎn)的同時(shí)要符合特定的安全規(guī)則。CC-CV曲線包括以下幾個(gè)階段：

1. 預(yù)充

2. 激活

3. 恒流

4. 恒壓

充電開(kāi)始為預(yù)充階段，以檢查電池狀況是否良好。在此階段中，通常給電池提供電池容量5%到15%的少量電流，如果電池電壓上升到2.8V以上，則認(rèn)為電池狀況良好，可以進(jìn)入到激活階段。在此階段中，給電池提供相同的電流，但會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)電池電壓上升到3V以上，則啟動(dòng)快充，并提供等于或低于電池容量的恒定電流。當(dāng)電池電壓上升到完全充電電壓(4.2V) 時(shí)或出現(xiàn)超時(shí)情況(不管哪一種情況先出現(xiàn))，恒流階段結(jié)束。電池電壓到達(dá)完全充電電壓時(shí)，充電進(jìn)入到恒壓階段，且電池電壓保持恒定。要做到這一點(diǎn)，充電電流必須隨著時(shí)間的推移而降低。這一階段的充電過(guò)程相比于其它充電階段而言所需的時(shí)間最長(zhǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，當(dāng)充電電流降到“結(jié)束電流”限度以下，通常為電池容量的2%，則電池充滿(mǎn)，充電過(guò)程結(jié)束。請(qǐng)注意，充電過(guò)程中每個(gè)階段都有一個(gè)時(shí)間限制，這是一個(gè)重要的安全特性。

圖1：鋰離子電池充電曲線

為了實(shí)施這一充電曲線，必須隨時(shí)了解電池電壓和充電電流。此外，還要檢查電池的溫度。因?yàn)樵诔潆姇r(shí)，電池往往會(huì)變熱。如果溫度超過(guò)電池的規(guī)定限額，就可能對(duì)電池造成損害。

就電池充電器的實(shí)現(xiàn)方案而言，用戶(hù)可有兩個(gè)選擇。一是采用專(zhuān)門(mén)的電池充電器IC，二是采用更加通用的微控制器。第一種方案能快速解決問(wèn)題，但其可配置性和用戶(hù)界面選項(xiàng)(LED指示燈)有限。第二種方案采用微控制器，設(shè)計(jì)的時(shí)間會(huì)稍微長(zhǎng)一些，但能提供可配置性選項(xiàng)，并且還能集成其它功能，如電池充電狀態(tài)(SOC)計(jì)算以及通過(guò)通訊接口向系統(tǒng)中的主機(jī)處理器發(fā)送信息等。此外，微控制器不能提供充電器所必需的電源電路系統(tǒng)，而且還需要外部BJT或MOSFET。不過(guò)這些電源組件的成本相比于微控制器或?qū)ｉT(mén)的充電器IC 而言要低得多。

充電器架構(gòu)

我們從充電曲線可以看出，單節(jié)鋰離子電池充電器需要可控的電流源。電流源輸出應(yīng)當(dāng)根據(jù)電池狀態(tài)而改變?？紤]到上述要求，基于微控制器的實(shí)施方案需要以下功能模塊：

1. 電流控制電路

2. 電池參數(shù)(電壓、電流、溫度)測(cè)量電路

3. 充電算法(用于實(shí)現(xiàn)CC—CV充電曲線)

方案框圖如下所示：

圖2：鋰離子電池充電器框圖

電流控制電路可采用電壓源和電流反饋技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建。其工作原理類(lèi)似于典型的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。允許充電電流通過(guò)小電阻以獲得反饋，從而產(chǎn)生一定的電壓。

電壓源可采用兩種方法進(jìn)行創(chuàng)建：

1. 線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2. 開(kāi)關(guān)：降壓或升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用線性模式的串聯(lián)導(dǎo)通元件(BJT或MOSFET)，如圖3所示。

圖3：線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)