- 鋰離子(Li+)電池CC-CV充電過程
- 鋰離子(Li+)電池充電器參數(shù)測(cè)試
- 選擇電池模型負(fù)載
- 仿真電路的性能
鑒于對(duì)Li+電池充電器的這些要求，對(duì)充電器設(shè)計(jì)進(jìn)行完全測(cè)試并在整個(gè)工作范圍內(nèi)進(jìn)行分段測(cè)試非常重要。然而，采用常規(guī)負(fù)載(即Li+電池)測(cè)試Li+電池充電器將非常耗時(shí)，而且在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)環(huán)境中也難于實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化測(cè)試過程，本文給出了一個(gè)電池仿真電路，可加快測(cè)試速度，在不帶實(shí)際電池的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池充電器的測(cè)試。
CC-CV充電
鋰離子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為用于鋰離子電池充電器的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)品中所有鋰離子電池充電器的核心。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(shí)，需要采用不同的充電技術(shù)。如果試圖對(duì)放電至2.6V以下的電池充電，充電器須提供一個(gè)較低的充電電流(“調(diào)理電流”)，將電池電壓充至2.6V。這是鋰離子電池過放電時(shí)所必須采取的安全機(jī)制。VBATT<2.6V時(shí)強(qiáng)行進(jìn)行快速充電，會(huì)使電池進(jìn)入不可恢復(fù)的短路狀態(tài)。
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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?yàn)槿绻鸆V過低，電池將無法完全充滿；而CV過高，則會(huì)縮短電池的使用壽命。充電過程終止意味著檢測(cè)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(cè)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(shí)終止充電。
Li+電池充電器參數(shù)測(cè)試
Li+電池充電器設(shè)計(jì)通常包括兩個(gè)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(>1%)基準(zhǔn)、可精確控制的電流/電壓源。對(duì)鋰離子充電器(不僅指IC)進(jìn)行完全測(cè)試是一項(xiàng)非常棘手且耗費(fèi)時(shí)間的工作，不僅僅限于對(duì)電流或電壓值進(jìn)行檢驗(yàn)。
測(cè)試時(shí)，應(yīng)該在整個(gè)工作范圍對(duì)充電器進(jìn)行分段檢測(cè)：包括CC階段、從CC到CV的切換、充電終止等。如上所述，測(cè)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(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，使用鋰電池進(jìn)行測(cè)試非常耗時(shí)。根據(jù)具體測(cè)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(cè)試時(shí)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?yàn)槌潆婋娏魇茈姵刈畲蟪潆娝俾?即快速充電電流)的制約。對(duì)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(shí)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(gè)充電周期所需要的時(shí)間往往超過兩小時(shí)。如果需要重復(fù)測(cè)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?；蛘撸仨毮軌螂S時(shí)備有完全放電的電池。
另外可以使用一個(gè)模擬的理想負(fù)載替代真實(shí)電池進(jìn)行負(fù)載測(cè)試。仿真時(shí)，應(yīng)驗(yàn)證電路的直流響應(yīng)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。然而，使用功率測(cè)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(cè)試使用的負(fù)載不同，電池不能簡(jiǎn)單地當(dāng)作電阻或固定地吸入電流。如上所述，必須在整個(gè)工作范圍內(nèi)進(jìn)行分段測(cè)試。以下介紹的Li+充電器測(cè)試電路完全滿足這些要求。
選擇電池模型負(fù)載
我們先討論兩個(gè)必須考慮但最終放棄的建模方法。電池負(fù)載建模的方法之一是：使用一個(gè)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(shí)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(dòng)態(tài)特性，因此必須選擇一個(gè)與模型非常相似的負(fù)載。否則，測(cè)試只能驗(yàn)證充電器本身的V-I特性。
如果只是進(jìn)行一次性測(cè)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(jiǎn)單的電池模型完全可以滿足測(cè)試要求。這種方法的優(yōu)勢(shì)是由充電器本身供電。然而，更嚴(yán)格的測(cè)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(duì)電池充電時(shí)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(shí)間的長(zhǎng)短，以及電池的工作歷史。用大多數(shù)電子實(shí)驗(yàn)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(duì)充電電路進(jìn)行測(cè)試，或必須詳細(xì)描述電路特性時(shí)，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(hào)，這些結(jié)果可以直接作為示波器信號(hào)。測(cè)試速度可以加快(從幾小時(shí)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(cè)試更方便。然而，測(cè)試速度加快后對(duì)確定充電電源的熱效應(yīng)不利。因此，可能需要額外的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，以便與充電電源和調(diào)節(jié)電路的熱時(shí)間常數(shù)相吻合。
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建立電池模型負(fù)載
圖2電路模擬的是單節(jié)鋰離子電池。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(shí)，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(cè)試過充電情況。3V初始值通常用于低電池電壓關(guān)斷電路(用來終止鋰離子電池放電過程)。這種設(shè)計(jì)專門針對(duì)終止充電壓為4.2V的標(biāo)準(zhǔn)CC-CV鋰離子電池充電器。該設(shè)計(jì)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(cè)試。測(cè)試時(shí)充電器用高達(dá)3A的充電電流驅(qū)動(dòng)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)。
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(shí)際電池的情況下測(cè)試Li+電池充電器
根據(jù)圖中給出的參數(shù)值，充電電流為1A時(shí)，積分時(shí)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(duì)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鋰離子電池(本例中指SonyUS18650G3)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(jì)采用MAX8515并聯(lián)穩(wěn)壓器和一對(duì)雙極型功率晶體管(選擇該穩(wěn)壓器時(shí)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(gè)放大器用來對(duì)充電電流積分，另一個(gè)放大器對(duì)電流測(cè)量信號(hào)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(jiǎn)化了兩種功能電路的設(shè)計(jì)。注意，與電池仿真器正端串聯(lián)的0.100Ω電流檢測(cè)電阻同時(shí)也作為電池內(nèi)阻。
在具有自動(dòng)測(cè)試-數(shù)據(jù)采集功能的系統(tǒng)內(nèi)工作時(shí)，可用外部信號(hào)將仿真電池復(fù)位到完全放電狀態(tài)。另外，手動(dòng)操作測(cè)試設(shè)置時(shí)，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(shí)，實(shí)現(xiàn)積分充電仿真器，如上所述。擲向B端時(shí)，仿真器將設(shè)定在某一固定的直流工作點(diǎn)對(duì)充電器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)的輸出電壓和吸電流。為實(shí)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(dòng)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(shí)測(cè)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(shí)的電源取自電池充電器輸出。
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仿真電路的性能
圖3為模擬鋰離子電池充電至4.2V時(shí)獲得的典型V-I波形。從圖中可以看出兩個(gè)測(cè)試過程：一個(gè)是以1A初始快充電流充電(曲線B和D)，另一個(gè)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(shí)到達(dá)終止電壓所需的時(shí)間更短，與預(yù)期設(shè)計(jì)相同。然而，請(qǐng)注意，電流加倍不會(huì)使充電時(shí)間減半，只會(huì)使到達(dá)CV模式的時(shí)間減半，與真實(shí)電池負(fù)載的測(cè)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(gè)不同設(shè)置電壓：3V和4.1V時(shí)的吸電流V-I曲線。兩個(gè)曲線的動(dòng)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(shí)的吸入電流，兩種情況下斜率均代表0.1Ω內(nèi)阻
由于鋰離子電池充電過程需要一小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，利用實(shí)際負(fù)載測(cè)試鋰電池充電器將非常耗時(shí)，而且往往不切實(shí)際。為了加快電池充電器測(cè)試，本文介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單電路，用來模擬鋰離子電池。該電路提供了一個(gè)不使用實(shí)際電池對(duì)鋰電池充電器進(jìn)行測(cè)試的有效手段。
