簡化鋰離子(Li+)電池充電器測試

摘要：由于Li+電池充電器的充電過程會持續(xù)一個小時甚至更長的時間，利用實際負(fù)載(即電池)對充電器進(jìn)行測試將非常耗時。本應(yīng)用筆記介紹了一種簡單的Li+電池仿真方法，與采用實際電池進(jìn)行測試相比，這種方法能夠更加方便地測試Li+電池充電器。

類似文章還發(fā)表在Maxim工程期刊第64期(PDF，2.5MB)。

概述

鋰離子(Li+)電池比其它化學(xué)類型的電池更脆弱，對于違規(guī)操作具有非常小的容限。因此，Li+電池充電電路比較復(fù)雜，要求高精度電流、電壓設(shè)置。如果無法滿足這些精度要求，充電器可能無法將電池完全充滿，進(jìn)而降低電池壽命，或影響電池性能。

鑒于對Li+電池充電器的這些要求，對充電器設(shè)計進(jìn)行完全測試并在整個工作范圍內(nèi)進(jìn)行分段測試非常重要。然而，采用常規(guī)負(fù)載(即Li+電池)測試Li+電池充電器將非常耗時，而且在實驗室和生產(chǎn)環(huán)境中也難于實現(xiàn)。為了簡化測試過程，本文給出了一個電池仿真電路，可加快測試速度，在不帶實際電池的情況下實現(xiàn)對Li+電池充電器的測試。

CC-CV充電

Li+電池充電過程的第一階段需要中等精度的恒流(CC)充電，然后在第二階段過渡到高精度恒壓(CV)充電。

圖1為用于Li+電池充電器的CC-CV集成電路(MAX1737)的V-I特性曲線。這種類型的IC是消費(fèi)類產(chǎn)品中所有Li+電池充電器的核心。圖中可清楚看出CC (2.6V至4.2V電池電壓)和CV (4.2V)區(qū)域。


圖1. MAX1737的V-I曲線是Li+電池充電器的標(biāo)準(zhǔn)特性曲線。

電池低于2.6V時，需要采用不同的充電技術(shù)。如果試圖對放電至2.6V以下的電池充電，充電器須提供一個較低的充電電流(“調(diào)理電流”)，將電池電壓充至2.6V。這是Li+電池過放電時所必須采取的安全機(jī)制。VBATT 2.6V時強(qiáng)行進(jìn)行快速充電，會使電池進(jìn)入不可恢復(fù)的短路狀態(tài)。

CC向CV階段的過渡點(diǎn)的臨界容差為±40mV。之所以要求如此嚴(yán)格的容差，是因為如果CV過低，電池將無法完全充滿；而CV過高，則會縮短電池的使用壽命。

充電過程終止意味著檢測到電池達(dá)到滿電量，充電器必須斷開或關(guān)閉。在CV階段，當(dāng)檢測到充電電流降至快充電流或最大充電電流的一定比例(通常 10%)時終止充電。

Li+電池充電器參數(shù)測試

Li+電池充電器設(shè)計通常包括兩個基本部分：數(shù)字部分(控制狀態(tài)機(jī))和模擬部分，模擬部分包括帶有高精度(優(yōu)于1%)基準(zhǔn)、可精確控制的電流/電壓源。對Li+充電器(不僅指IC)進(jìn)行完全測試是一項非常棘手且耗費(fèi)時間的工作，不僅僅限于對電流或電壓值進(jìn)行檢驗。

測試時，應(yīng)該在整個工作范圍對充電器進(jìn)行分段檢測：包括CC階段、從CC到CV的切換、充電終止等。如上所述，測試的理想情況是采用常規(guī)充電器的負(fù)載：即Li+電池。然而，由于充電過程需要一小時甚至更長時間，使用Li+電池進(jìn)行測試非常耗時。根據(jù)具體測試條件的不同：例如大容量電池+慢速充電，小容量電池+快速充電以及其它可能組合，測試時間也不盡相同。

此外，充電過程無法在保證不損壞電池的前提下提高充電電流，因為充電電流受電池最大充電速率(即快速充電電流)的制約。對于消費(fèi)類產(chǎn)品常用的電池，很少規(guī)定電流大于1C (在1小時內(nèi)將電池完全放電的電流)。因此，大多數(shù)情況下完成整個充電周期所需要的時間往往超過兩小時。

如果需要重復(fù)測試，則需要將電池完全放電—這一過程僅僅比充電稍微短一些。或者，必須能夠隨時備有完全放電的電池。

另外可以使用一個模擬的理想負(fù)載替代真實電池進(jìn)行負(fù)載測試。仿真時，應(yīng)驗證電路的直流響應(yīng)和動態(tài)穩(wěn)定性。然而，使用功率測試所用的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載進(jìn)行電池仿真非常困難。與大多數(shù)電源測試使用的負(fù)載不同，電池不能簡單地當(dāng)作電阻或固定地吸入電流。如上所述，必須在整個工作范圍內(nèi)進(jìn)行分段測試。以下介紹的Li+充電器測試電路完全滿足這些要求。

選擇電池模型負(fù)載

我們先討論兩種需要考慮的建模方法，但并未采納這些方法。

電池負(fù)載建模的方法之一是：使用一個具有源出(放電)和吸入(充電)電流能力的電壓源與代表電池內(nèi)阻的電阻串聯(lián)。由于Li+電池要求精確控制終止電壓和充電電流，目前所有Li+充電器實際上是穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器。

此外，由于穩(wěn)壓電源變換器(充電器)的穩(wěn)定性取決于負(fù)載(電池)的動態(tài)特性，因此必須選擇一個與模型非常相似的負(fù)載。否則，測試只能驗證充電器本身的V-I特性。

如果只是進(jìn)行一次性測試，可以使用并聯(lián)型穩(wěn)壓器與電阻串聯(lián)，這足以模擬電池的內(nèi)阻，并且，這一簡單的電池模型完全可以滿足測試要求。這種方法的優(yōu)勢是由充電器本身供電。

然而，更嚴(yán)格的測試需要更精確的模型。該模型采用內(nèi)部電壓源，電壓值是充電過程中供給電池的總電荷的函數(shù)。

用恒流源對電池充電時電壓將不斷變化，以一定的正斜率上升。這是由于放電和其它電池內(nèi)部化學(xué)變化過程中，電池正極周圍累積的極化離子逐漸減少。因此，充電器的工作點(diǎn)取決于電池連接時間的長短，以及電池的工作歷史。采用大多數(shù)實驗室能夠找到的通用器件構(gòu)建負(fù)載，以模擬這一復(fù)雜負(fù)載的模型很困難。

需要經(jīng)常對充電電路進(jìn)行測試，或必須詳細(xì)描述電路特性時，準(zhǔn)確模擬充電過程的電池非常有用。模擬過程需要連續(xù)掃描充電器的所有直流工作點(diǎn)。模擬電路還要顯示結(jié)果，使操作人員可以查找問題、故障和干擾。如果模擬電路能夠提供電池電壓輸出和信號，這些結(jié)果可以直接作為示波器信號。

測試速度可以加快(從幾小時到數(shù)十秒)，并可根據(jù)需要進(jìn)行多次反復(fù)，比用真正的電池測試更方便。然而，測試速度加快后對確定充電電源的熱效應(yīng)不利。因此，可能需要額外的長時間測試，以便與充電電源和調(diào)節(jié)電路的熱時間常數(shù)相吻合。

建立電池模型負(fù)載

圖2電路模擬的是單節(jié)Li+電池。充電器CC階段的終止充電電壓和快速充電電流由充電器設(shè)置決定。仿真器初始化時，可設(shè)置完全放電條件下內(nèi)部電池電壓為3V，但該電壓可以提升到4.3V，以測試過充電情況。3V初始值通常用于低電池電壓關(guān)斷電路(用來終止Li+電池放電過程)。這種設(shè)計專門針對終止充電壓為4.2V的標(biāo)準(zhǔn)CC-CV Li+電池充電器。該設(shè)計調(diào)整起來很容易，能夠適應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)終止電壓和完全放電電壓的測試。


圖2. 單節(jié)Li+電池充電情況的仿真電路，該電路可以在不使用實際電池的情況下測試Li+電池充電器。

測試時充電器用高達(dá)3A的充電電流驅(qū)動仿真電路，受功率晶體管功耗的限制。圖2電路模擬了電池電壓增加的情況，電池電壓是從仿真電路設(shè)置為完全放電狀態(tài)開始，電路充電電流的函數(shù)。

根據(jù)圖中給出的參數(shù)值，充電電流為1A時，積分時間常數(shù)使模擬電路在6至7秒內(nèi)達(dá)到充電器的4.2V限制。對電流范圍、內(nèi)阻、充電終止電壓和完全放電電壓的模擬是在Li+電池(本例中指Sony? US18650G3)典型參數(shù)的基礎(chǔ)上完成的。所仿真的電池電壓沒有考慮環(huán)境溫度的影響。

并聯(lián)穩(wěn)壓器設(shè)計采用MAX8515并聯(lián)穩(wěn)壓器和一對雙極型功率晶體管(選擇該穩(wěn)壓器時考慮了其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的精度)，大電流TIP35晶體管安裝在能夠耗散25W熱量的散熱器上。

MAX4163雙運(yùn)放的其中一個放大器用來對充電電流積分，另一個放大器對電流測量信號進(jìn)行放大和偏置。該運(yùn)算放大器具有較高的電源抑制比，并可支持滿擺幅輸入/輸出范圍，簡化了兩種功能電路的設(shè)計。注意，與電池仿真器正端串聯(lián)的0.100Ω電流檢測電阻同時也作為電池內(nèi)阻。

在具有自動測試-數(shù)據(jù)采集功能的系統(tǒng)內(nèi)工作時，可用外部信號將仿真電池復(fù)位到完全放電狀態(tài)。另外，手動操作測試設(shè)置時，可用按鍵復(fù)位。

利用單刀單擲開關(guān)可以選擇仿真電池的兩種工作模式。擲向A端時，實現(xiàn)積分充電仿真器，如上所述。擲向B端時，仿真器將設(shè)定在某一固定的直流工作點(diǎn)對充電器進(jìn)行現(xiàn)場測試時的輸出電壓和吸電流。為實現(xiàn)這一功能，“設(shè)置”電壓可通過改變50kΩ可變電阻，在2.75V至5.75V之間手動調(diào)整。這些設(shè)置電壓值與內(nèi)部吸入電流有關(guān)。仿真器端實測電壓(VBATT)等于設(shè)定電壓加上吸電流流經(jīng)仿真電池內(nèi)阻(0.100Ω電阻)產(chǎn)生的壓降。仿真電路工作時的電源取自電池充電器輸出。

仿真電路的性能

圖3為模擬Li+電池充電至4.2V時獲得的典型V-I波形。從圖中可以看出兩個測試過程：一個是以1A初始快充電流充電(曲線B和D)，另一個是以2A快充電流充電(曲線A和C)。這兩種情況下，首先進(jìn)入CC階段充電，直到電池電壓達(dá)到終止電壓4.2V。在此之后，電流呈指數(shù)衰減，而仿真電池的電壓保持不變。充電電流為2A時到達(dá)終止電壓所需的時間更短，與預(yù)期設(shè)計相同。然而，請注意，電流加倍不會使充電時間減半，只會使到達(dá)CV模式的時間減半，與真實電池負(fù)載的測試情況一樣。


圖3. 根據(jù)圖2電池仿真電路繪制出的圖形，快速充電波形表明兩種條件下電池充電器的工作情況，分別是：CC階段提供1A (曲線B和D)和2A (曲線A和C)充電電流。

圖4為兩個不同設(shè)置電壓：3V和4.1V時的吸電流V-I曲線。兩個曲線的動態(tài)電阻(用斜率表示)僅僅是由0.100Ω電阻模擬的電池內(nèi)阻。


圖4. 圖2電路在電壓為4.1V (上部曲線)和3V (下部曲線)時的吸入電流，兩種情況下斜率均代表0.1Ω內(nèi)阻。

總結(jié)

由于Li+電池充電過程需要一小時或更長時間，利用實際負(fù)載測試Li+充電器將非常耗時，而且往往不切實際。為了加快電池充電器測試，本文介紹了一個簡單電路，用來模擬Li+電池。該電路提供了一個不使用實際電池對鋰電池充電器進(jìn)行測試的有效手段。