鋰離子電池充電系統(tǒng)的差異與選擇

　　簡介

　　目前，便攜式設備的供電問題向系統(tǒng)設計師提出了許多挑戰(zhàn)，利用電池作為主電源的做法越來越流行，因此系統(tǒng)設計師必須設計出高度精密的系統(tǒng)，充分挖掘電池的所有潛力。每種應用都是不同的，但有一點卻相同：盡可能地充分利用電池的容量，這一目標與如何恰當?shù)貫槌潆婋姵爻潆娭苯酉嚓P。為了設計出合適且可靠的電池充電系統(tǒng)，需要對電池的充電特性和應用本身要求有深入的理解，每種方法都有其相應的優(yōu)缺點，具體應用及其要求才是決定哪種方法最適合的關鍵因素。

　　充電系統(tǒng)在設計中往往不太受重視，特別是在成本敏感的應用中。然而，充電系統(tǒng)的質量對于電池的壽命和可靠性至關重要。本文探討了鋰離子電池充電的基本原理，并具體討論了線性充電解決方案和基于單片機的開關式解決方案，以Microchip的MCP73843和MCP73861線性充電管理控制器和PIC16F684單片機以及MCP1630脈寬調制器（PWM）為例展開討論。

　　鋰離子充電

　　充電或放電速率通常根據(jù)電池容量來表示。這一速度稱為C速率。C速率等于特定條件下的充電或放電電流，定義如下：

I=M×Cn

　　其中：

• 　　I = 充電或放電電流，A
• 　　M = C的倍數(shù)或分數(shù)
• 　　C = 額定容量的數(shù)值，Ah
• 　　N = 小時數(shù)（對應于C）。

　　以1倍C速率放電的電池將在一個小時內釋放標稱的額定容量。例如，如果標稱容量是1000mAhr，那么1C的放電速率對應于1000mA的放電電流，C/10的速率對應100mA的放電電流。

　　通常生產商標定的電池容量都是指n=5時，即5小時放電的容量。例如，上述電池在200mA恒流放電時能夠提供5小時的工作時間。理論上該電池在1000mA恒流放電時能夠提供1小時的工作時間。然而實際上由于大電池放電時效能降低，此時的工作時間將小于1小時。

　　那么怎樣才能正確地為鋰離子電池充電呢？鋰離子電池最適合的充電過程可以分為四個階段：涓流充電、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。參考圖1。

　　階段1：涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進行預充（恢復性充電）。在電池電壓低于3V左右時，先采用最大0.1C的恒定電流對電池進行充電。

　　階段2：恒流充電——當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至1.0C之間。恒流充電時的電流并不要求十分精確，準恒定電流也可以。在線性充電器設計中，電流經常隨著電池電壓的上升而上升，以盡量減輕傳輸晶體管上的散熱問題。

　　大于1C的恒流充電并不會縮短整個充電周期時間，因此這種做法不可取。當以更高電流充電時，由于電極反應的過壓以及電池內部阻抗上的電壓上升，電池電壓會更快速地上升。恒流充電階段會變短，但由于下面恒壓充電階段的時間會相應增加，因此總的充電周期時間并不會縮短。

　　階段3：恒壓充電—— 當電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結束，開始恒壓充電階段。為使性能達到最佳，穩(wěn)壓容差應當優(yōu)于+1%。

　　階段4：充電終止——與鎳電池不同，并不建議對鋰離子電池連續(xù)涓流充電。連續(xù)涓流充電會導致金屬鋰出現(xiàn)極板電鍍效應。這會使電池不穩(wěn)定，并且有可能導致突然的自動快速解體。

　　有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時器（或者兩者的結合）。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時，持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。

　　上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口（通常為0℃至45℃），那么充電會暫停。

　　鋰離子充電——系統(tǒng)注意事項

　　要快速可靠地完成充電過程需要一個高性能的充電系統(tǒng)。為實現(xiàn)可靠且經濟高效的解決方案，設計時應當考慮到以下系統(tǒng)參數(shù)：

　　輸入源

　　許多應用都采用極廉價的墻式適配器作為輸入電源。其輸出電壓主要依賴于交流輸入電壓和從墻式適配器流出的負載電流。

　　在美國標準的墻面插座上交流母線輸入電壓的變化范圍一般為90VRMS至132VRMS。假設額定輸入電壓為120VRMS，容差為+10%,?25%。充電器必須為電池提供適當?shù)姆€(wěn)壓措施，從而不受輸入電壓的影響。充電器的輸入電壓與交流母線電壓和充電電流成比例：

VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD

　　REQ是次級繞組的電阻與初級繞組反射電阻（RP/a2）的和。RPTC是PTC的電阻，VFD是橋式整流器的前向壓降。此外變壓器磁芯損失也會使輸出電壓略有降低。

　　利用汽車適配器充電的應用也會遇到類似的問題。汽車適配器的輸出電壓典型范圍為9V至18V。

　　恒流充電的速率和精度

　　特定應用的拓撲結構選擇可能要由充電電流來決定。許多大恒流充電應用或多節(jié)電池充電應用都采用開關式充電解決方案來獲得更高的效率并避免產生過多熱量。出于尺寸和成本方面的考慮，低檔和中檔的快速充電應用則傾向于采用線性解決方案，然而線性解決方案會以熱的形式損失更多能耗。對于線性充電系統(tǒng)來說，恒流充電的容差變得極為重要。如果穩(wěn)壓容差太大，傳輸晶體管和其他元器件都需要更大體積，從而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充電電流過小，整個充電周期將會延長。

　　輸出電壓的穩(wěn)定精度

　　為了盡可能地充分利用電池容量，輸出電壓穩(wěn)壓精度非常關鍵。輸出電壓精度的小幅度下降也會導致電池容量的大幅減少。然而出于安全和可靠性方面的考慮，輸出電壓也不能隨意設置得過高。圖2顯示出了輸出電壓穩(wěn)定精度的重要性。

　　充電終止方法

　　毋庸置疑，過充始終是鋰離子電池充電的心頭大患。準確的充電終止方法對于安全可靠的充電系統(tǒng)來說非常關鍵。

　　電池溫度監(jiān)控

　　一般情況下，鋰離子電池充電時的溫度范圍應當在0℃至45℃。在此溫度范圍之外對電池充電會導致電池過熱。在充電周期中，電池內的壓力上升還會導致電池膨脹。溫度與壓力直接相關。隨著溫度上升，壓力也會過大，這可能會導致電池內部的機械破裂或材料泄漏，嚴重時還有可能導致爆炸。在此溫度范圍之外對電池充電還會損害電池的性能，或縮短電池的預期壽命。

　　通常鋰離子電池包內都采用了熱敏電阻來準確測量電池溫度。充電器檢測熱敏電阻的阻值，當阻值超出規(guī)定工作范圍，即溫度超過規(guī)定范圍時，充電被禁止。

　　電池放電電流或反向泄漏電流

　　在許多應用中，即使輸入電源不存在，充電系統(tǒng)仍然與電池相連。充電系統(tǒng)必須保證輸入電源不存在時，從電池汲取的電流極小。最大泄漏電流應當小于幾個微安，通常應小于一個微安。

　　鋰離子充電——應用實例

　　將以上幾點系統(tǒng)注意事項事先充分考慮，就能開發(fā)出適合的充電管理系統(tǒng)。

　　線性解決方案

　　當存在穩(wěn)壓良好的輸入電源時，通常采用線性充電解決方案。在此類應用中，線性解決方案的優(yōu)點包括易用、尺寸小以及成本低。由于線性充電解決方案效率低，因此影響設計的最重要因素就是散熱設計。散熱設計是輸入電壓、充電電流以及傳輸晶體管和環(huán)境冷卻空氣間的熱阻。最糟的情況是器件從涓流充電階段向恒流充電階段轉換時，在此情況下，傳輸晶體管必須散發(fā)最大的熱能，必須在充電電流、系統(tǒng)尺寸、成本和散熱要求之間進行權衡。

　　例如，應用中需要利用一個5V ±5%的輸入電源以0.5C或1C的恒定電流對一個1000mAh的單節(jié)鋰離子電池充電。圖3顯示了如何利用Microchip的MCP73843構成一個低成本的獨立解決方案，只需要極少量的外部元器件，就可以實現(xiàn)所需要的充電算法。MCP73843完美地結合了高精度恒流充電、恒壓穩(wěn)壓以及自動充電終止等功能。