電池快速充電指南——第2部分

“電池快速充電指南——第1部分”介紹了有關(guān)快速充電電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些挑戰(zhàn)。通過在電池包中實(shí)現(xiàn)電量計(jì)功能，原始設(shè)備制造商(OEM)可以設(shè)計(jì)智能快速充電器，從而提高系統(tǒng)靈活性，更大限度地降低功耗，確保安全充電/放電，并改善整體用戶體驗(yàn)。在第2部分中，我們將詳細(xì)探討如何使用評(píng)估套件和樹莓派板實(shí)現(xiàn)電池并聯(lián)的快速充電系統(tǒng)。

評(píng)估1S2P架構(gòu)

評(píng)估簡(jiǎn)單充電系統(tǒng)并測(cè)試其功能，通?？梢允褂迷u(píng)估套件來完成。這些套件包括配置充電系統(tǒng)所需的所有硬件和軟件應(yīng)用，以及基于圖形用戶界面(GUI)的工具和API。

但相應(yīng)地，包含多個(gè)單元的復(fù)雜系統(tǒng)的相關(guān)評(píng)估工作也更加繁瑣。復(fù)雜系統(tǒng)中可能有多個(gè)器件需要進(jìn)行表征。開發(fā)人員將需要編寫一些軟件代碼來讀取系統(tǒng)不同部分生成的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析，并采取行動(dòng)。MAX17330可幫助管理包含兩節(jié)鋰離子電池的并聯(lián)電池快速充電系統(tǒng)。如數(shù)據(jù)手冊(cè)所述，MAX17330可用于同時(shí)對(duì)兩節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電和控制。該系統(tǒng)需要兩個(gè)MAX17330 IC，每個(gè)IC管理一節(jié)鋰離子電池，以及一個(gè)能夠即時(shí)調(diào)整輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器（如MAX20743）。

該系統(tǒng)還需要使用一個(gè)微控制器來配置和管理電池充電，以及處理兩個(gè)IC之間的通信。本文選擇的樹莓派板是系統(tǒng)測(cè)試中普遍使用的平臺(tái)，此外我們選用Python作為編程語言。樹莓派通過I2C管理通信，并記錄有助于評(píng)估和調(diào)試的重要系統(tǒng)參數(shù)，包括充電電流、電池電壓和電池荷電狀態(tài)(SOC)。這些數(shù)值均存儲(chǔ)在Excel文件中，方便進(jìn)行離線分析。

測(cè)試1S2P架構(gòu)

本節(jié)將介紹如何測(cè)試充電器和電量計(jì)(MAX17330)。本節(jié)還會(huì)說明并聯(lián)充電可達(dá)到的實(shí)際性能。為了獲得更大的靈活性和可控性，該器件由微控制器通過I2C進(jìn)行編程。

圖1顯示了1S2P系統(tǒng)架構(gòu)以及評(píng)估兩節(jié)并聯(lián)電池充電所需的連接。樹莓派控制三個(gè)EVKIT：一個(gè)MAX20743EVKIT（降壓轉(zhuǎn)換器）和兩個(gè)MAX17330EVKIT（充電器+電量計(jì)）。數(shù)據(jù)記錄在Excel文件中。

圖1 使用樹莓派的1S2P充電系統(tǒng)評(píng)估架構(gòu)

可從MAX17330產(chǎn)品頁面的“工具和仿真”選項(xiàng)卡中下載并使用基于GUI的MAX17330評(píng)估套件軟件。使用配置向?qū)В◤摹捌骷边x項(xiàng)卡中選擇）可為MAX17330生成初始化文件(.INI)。INI文件中包含寄存器地址/寄存器值格式的器件寄存器初始化信息。微控制器需使用該文件來逐個(gè)配置MAX17330中的寄存器。

MAX17330EVKIT數(shù)據(jù)手冊(cè)詳細(xì)說明了生成初始化文件所需的各個(gè)步驟。圖2所示的配置用于啟動(dòng)并聯(lián)充電。接下來可按圖3中的配置啟用步進(jìn)充電。圖4顯示了基于圖3配置步進(jìn)充電后的預(yù)期步進(jìn)充電曲線。

圖2 配置MAX17330進(jìn)行并聯(lián)充電

圖3 啟用步進(jìn)充電

MAX20734降壓轉(zhuǎn)換器可在需要時(shí)提高兩個(gè)MAX17330EVKIT上的電壓。MAX20734降壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)地址0x21處的內(nèi)部寄存器值改變輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器可以通過I2C控制；已編寫一個(gè)Python類來執(zhí)行此操作。

最后，如圖5所示，MAX20743EVKIT輸出分壓器被修改，輸出范圍為3 V至4.6 V（使用的值為R6 = 4K7和R9 = 1K3）。

表1 MAX20743基于寄存器0x21的轉(zhuǎn)換輸出電壓

從表1可以得出如下曲線：

其中，x為要在輸出端施加的電壓。雖然這種方法會(huì)有輕微誤差，但也是根據(jù)電壓估算所需寄存器值的好方法。

上電與初始化

當(dāng)MAX17330首次連接電池時(shí)，默認(rèn)寄存器值設(shè)置強(qiáng)制IC進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。要喚醒器件，請(qǐng)按PKWK按鈕。這將使臨時(shí)保護(hù)MOSFET短路，從而喚醒兩個(gè)MAX17330EVKIT。

接下來，樹莓派需要通過I2C與所有三個(gè)器件通信。小心地初始化I2C硬件，避免器件地址沖突。默認(rèn)情況下，兩個(gè)MAX17330EVKIT使用相同I2C地址。第一步是更改兩個(gè)電量計(jì)之一的地址。

MAX17330兼有易失性和非易失性寄存器，非易失性寄存器以“n”前綴標(biāo)識(shí)。這也導(dǎo)致產(chǎn)生一對(duì)節(jié)點(diǎn)地址：6Ch（易失性寄存器）和16h（NV寄存器）。

改變MAX17330器件節(jié)點(diǎn)地址的方法有兩種：

■   使用I2CSid字段設(shè)置nPackCfg NV寄存器。此更改可以利用配置向?qū)гO(shè)置。參見表3。

■   I2CCmd寄存器支持動(dòng)態(tài)更改I²C總線。參見表4。

為了便于使用，我們采用第二種方法來改變地址，這樣可以使用同一INI文件來初始化兩個(gè)器件。生成兩個(gè)器件的通用設(shè)置可以簡(jiǎn)化器件配置，并消除有關(guān)手動(dòng)輸入地址的用戶錯(cuò)誤。

圖4 基于圖3來配置步進(jìn)充電的預(yù)期步進(jìn)充電曲線

圖5 輸出分壓器已被修改，輸出范圍為3 V至4.6 V（R6 = 4 K7且R9 = 1 K3）

表2 MAX17330寄存器

表3 nPackCfg (1B5h)寄存器格式

表4 I2CCmd (12Bh)寄存器格式

 由于兩個(gè)MAX17330器件共用同一I2C總線，因此該程序要求將一個(gè)器件的ALRT信號(hào)設(shè)置為低電平，并將另一個(gè)設(shè)置為高電平。

表5 I2C ALRT設(shè)置

表4中的數(shù)據(jù)來自MAX17330數(shù)據(jù)手冊(cè)，顯示了I2CCmd寄存器如何根據(jù)ALERT GPIO引腳值動(dòng)態(tài)更改器件地址。在這種情況下，可使用GoToSID和INcSID字段更改I2C地址：

■   Set ALRT_A logic low

■   Set ALRT_B logic high

■   Write I²CCmd = 0 × 0001 àMAX17330_A address remains at 6Ch/16h

àMAX17330_B address set to ECh/96h

每個(gè)器件都分配有唯一的地址后，整個(gè)系統(tǒng)便可以由單個(gè)微控制器控制。

下面是微控制器完成I2C配置的腳本。這將是系統(tǒng)初始化的一部分。

■   Load .INI file

■   Assert ALRT_A and ALRT_B to keep the path between SYSP and BATTP open

■   Read VBATT_A and VBATT_B

■   V_MAX=max (VBATT_A, VBATT_B)

■   Set V_OUT=V_MAX+50 mV

■   Release ALRT_A and ALRT_B

■   Set nProtCfg.OvrdEn = 0 to use ALRT as Output

非易失性空間中的某些寄存器需要重啟固件才能使更改生效。因此，需要執(zhí)行以下步驟：

■   置位Config2.POR_CMD以重啟固件

參見表7。

接下來，我們需要啟用充電器的中斷：

■   設(shè)置（Config.Aen和Config.Caen）= 1

參見表8。

現(xiàn)在器件已初始化。

表6 nProtCfg (1D7h)寄存器格式

表7 Config2 (OABh)寄存器格式

表8 Config (O0Bh)寄存器格式

記錄數(shù)據(jù)和中斷

我們需要能夠讀取寄存器以記錄數(shù)據(jù)，并檢查ALERT GPIO線上是否已生成中斷。我們可以使用如下腳本：

■   設(shè)置500 ms定時(shí)器

■   V_MIN=min (V_{BATT_A}, V_{BATT_B})

■   V_{sys_min} = nVEmpty[15:7]

■   CrossCharge = False

■   If (V_MIN<V_{sys_min}) àCrossCharge = True

評(píng)估最小電池電壓是否超過系統(tǒng)的最小工作電壓

■   If FProtStat.IsDis = 0

檢測(cè)到充電信號(hào)

■   Clear Status.AllowChgB

向所有電池表明充電器存在

■   If (VBATT > VMIN + 400 mV and !Cross Charge)

確定要阻止哪個(gè)電池以避免交叉充電

Config2.BlockDis = 1

else

Config2.BlockDis = 0

如果低電量電池遠(yuǎn)低于高電量電池，則允許放電

參見表9、10和11。

當(dāng)MAX17330置位ALRT信號(hào)時(shí)，主機(jī)將執(zhí)行以下操作：

Read Status register data

If Status.CA is set

Read ChgStat register

If ChgStat.Dropout = 1 àincrease VOUT

If (ChgStat.CP or ChgStat.CT) = 1 àdecrease VOUT

Clear Status.CA

參見表12和13。

圖6顯示了從Excel文件的記錄數(shù)據(jù)提取的并聯(lián)充電曲線。請(qǐng)注意該曲線隨步進(jìn)充電曲線的變化情況。

FProtStat寄存器

表9 FProtStat (0DAh)寄存器格式

表10 Status (000h)寄存器格式

表11 Config2 (0ABh)寄存器格式

表12 狀態(tài)寄存器(000h)格式

表13 ChgStat (0A3h)寄存器格式

圖6 并聯(lián)充電曲線

另外，一旦器件從恒流(CC)階段轉(zhuǎn)為恒壓(CV)階段，降壓轉(zhuǎn)換器生成的電壓可以降低如下：

■   If V_BATT= ChargingVoltage

Read ChgStat Register

If ChgStat.CV = 1 àecrease V_OUT until VPCK = ChargingVoltage + 25 mV

以上就是管理1S2P充電配置所需的所有步驟。MAX17330-usercode.zip中包含了配置降壓轉(zhuǎn)換器(MAX20743)以及充電器和電量計(jì)(MAX17330)的Python代碼。其中還包含了用于捕獲重要充電參數(shù)和評(píng)估步進(jìn)充電曲線的Excel數(shù)據(jù)日志。通過管理MAX17330產(chǎn)生的警報(bào)信號(hào)，微控制器可保持MAX17330的線性充電器接近壓差，從而更大限度地降低功耗并支持高充電電流。使用MAX17330的電池包可存儲(chǔ)已安裝電池的參數(shù)，以便主機(jī)微控制器實(shí)現(xiàn)高效快速充電。這使得OEM可以用更簡(jiǎn)單、更便宜的降壓轉(zhuǎn)換器取代標(biāo)準(zhǔn)充電器IC器件，而不影響性能或可靠性。

結(jié)論

設(shè)備充電時(shí)間是最重要的用戶體驗(yàn)考量因素之一。MAX17330降壓轉(zhuǎn)換器采用小型IC封裝，可以有效管理非常高的電流，從而縮短充電時(shí)間。通過采用兩個(gè)MAX17330等的方式可支持以高電流并聯(lián)充電，讓開發(fā)人員能夠以安全可靠的方式為多個(gè)電池充電，從而大幅節(jié)省充電時(shí)間。