使用鋰離子技術(shù)實現(xiàn)電池充電器

本文中，我們將舉例說明如何使用鋰離子技術(shù)來實現(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。充電過程會經(jīng)歷幾個不同的階段，在確保電池容量充滿的同時要符合特定的安全規(guī)則。CC-CV曲線包括以下幾個階段：

1. 預充

2. 激活

3. 恒流

4. 恒壓

充電開始為預充階段，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，則認為電池狀況良好，可以進入到激活階段。在此階段中，給電池提供相同的電流，但會持續(xù)更長的時間。當電池電壓上升到3V以上，則啟動快充，并提供等于或低于電池容量的恒定電流。當電池電壓上升到完全充電電壓(4.2V) 時或出現(xiàn)超時情況(不管哪一種情況先出現(xiàn))，恒流階段結(jié)束。電池電壓到達完全充電電壓時，充電進入到恒壓階段，且電池電壓保持恒定。要做到這一點，充電電流必須隨著時間的推移而降低。這一階段的充電過程相比于其它充電階段而言所需的時間最長。在這個過程中，當充電電流降到“結(jié)束電流”限度以下，通常為電池容量的2%，則電池充滿，充電過程結(jié)束。請注意，充電過程中每個階段都有一個時間限制，這是一個重要的安全特性。

圖1：鋰離子電池充電曲線

為了實施這一充電曲線，必須隨時了解電池電壓和充電電流。此外，還要檢查電池的溫度。因為在充電時，電池往往會變熱。如果溫度超過電池的規(guī)定限額，就可能對電池造成損害。

就電池充電器的實現(xiàn)方案而言，用戶可有兩個選擇。一是采用專門的電池充電器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題，但其可配置性和用戶界面選項(LED指示燈)有限。第二種方案采用微控制器，設(shè)計的時間會稍微長一些，但能提供可配置性選項，并且還能集成其它功能，如電池充電狀態(tài)(SOC)計算以及通過通訊接口向系統(tǒng)中的主機處理器發(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。不過這些電源組件的成本相比于微控制器或?qū)ｉT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。電流源輸出應當根據(jù)電池狀態(tài)而改變。考慮到上述要求，基于微控制器的實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)測量電路

3. 充電算法(用于實現(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)進行構(gòu)建。其工作原理類似于典型的負反饋控制系統(tǒng)。允許充電電流通過小電阻以獲得反饋，從而產(chǎn)生一定的電壓。

電壓源可采用兩種方法進行創(chuàng)建：

1. 線性拓撲結(jié)構(gòu)

2. 開關(guān)：降壓或升壓拓撲結(jié)構(gòu)

線性拓撲結(jié)構(gòu)采用線性模式的串聯(lián)導通元件(BJT或MOSFET)，如圖3所示。

圖3：線性拓撲結(jié)構(gòu)