電池充電IC電路設計基礎知識

ID:988595 · 發表于 2022-3-8 10:36

為電池充電很簡單（理論上） - 在端子和電池充電之間施加電壓。如果安全充電，快速充電和/或最大電池壽命很重要，那么事情就會變得復雜。本文將考慮鎳氫（NiMH），鎳鎘（NiCd），鋰離子（Li-ion）和鉛酸（PbA）電池充電的各個方面。
電子設備中最常見的三種電池是鎳氫，鎳鎘和鋰離子電池。對于這些電池，C速率是定義充電參數時的重要考慮因素。"C"是指電池在一小時內放電時的容量。例如，額定容量為1，000mAh的電池可以在0.33C下充電，從而在三小時內產生約0.33mA的充電電流以達到完全充電。這些電池的容量是相對于最小允許電壓確定的，稱為截止電壓。通常，正是這個電壓定義了電池的"空"狀態。此時，仍有剩余電量，但將其拔出可能會損壞電池。
對于 PbA 電池，在定義充電方法時，安培小時（Ah）額定值通常是一個重要的考慮因素。電池的Ah額定值是根據完全放電計算的;不考慮截止電壓，也不一定是實際可用容量。

為電子設備中的電池充電
鎳氫和鎳鎘電池的標稱電壓約為1.2 V/節，通常每節電池應充電至1.5V至1.6 V。增量溫度（dT/dt）、溫度閾值、峰值電壓檢測、負三角電壓和簡單計時器是用于確定何時停止為鎳氫和鎳鎘電池充電的方法。對于更關鍵的應用，一個或多個可以組合在單個充電器中。

簡單恒流穩壓器電池充電電路框圖

一般鋰離子充電注意事項
在適當謹慎的情況下，上面顯示的CCR電池充電器可用于為鋰離子電池充電。鋰離子電池通常充電至4.2V/節，容量為0.5C或更低至接1C，有時充電速率較慢。挑戰在于將溫度上升保持在5°C以下。充電過程中較高的溫度可能導致火災等災難性事件。鋰離子電池的溫度通常在充電的最后階段上升最多。該CCR控制器試圖通過不包括第二個較低速率的充電級來消除該潛在問題。消除第二個充電階段有助于延長電池壽命，此外還有助于保持電池安全運行。然而，消除第二充電階段也意味著電池只能充電到約0.85C，或最大容量的85%。
除非鋰離子電池充電非常緩慢（通常為0.15 C甚至更低），否則在達到4.2V/節電壓時終止充電只會將電池充電至最大0.7C。有些電池可能只能達到0.4C。
可以對鋰電池進行低于4.2V/節的充電，但不建議這樣做。雖然其他電池化學成分不在低電壓下充電，但Li電池將充電，但不會達到完全充電。在較低電壓下充電的一個優點是循環壽命大幅提高，但容量要低得多。
雖然簡單的恒流電池充電電路可以提供低成本和相對緩慢的充電，但需要多級技術才能獲得更好的性能。對于鋰離子電池，必須終止充電;涓流充電是不可接受的。鋰離子電池的過度充電會損壞電池，可能會使鋰金屬電鍍并變得危險。
下圖說明了為鋰電池充電的更優化方法。如果電池已完全或幾乎完全耗盡，則該過程將從涓流充電開始，然后是稍微快一點的預充電。一旦達到預定的充電水平，根據要充電的特定電池，就會基于恒流方法進行快速充電，直到達到臨界電池電壓（通常約為4.2V/節）。接下來是恒壓充電以完成該過程。此時，充電終止，并且不向電池施加電壓。

鋰離子電池充電曲線

鋰離子充電有許多替代拓撲結構。兩種常見的是窄電壓直流和混合動力升壓充電，針對特定用例進行了優化。

窄電壓直流
窄電壓直流（NVDC）最初是英特爾™一項計劃，旨在通過降低筆記本電腦和平板電腦中系統負載的電壓范圍來提高系統效率。這是通過將通常的電池充電器替換為包含降壓轉換器的系統充電器來實現的。這樣可以優化DC/DC（降壓）轉換器并消除電源路徑開關，從而節省功耗、電路板面積和成本。
下圖是NVDC實現的示例。系統通過降壓轉換器連接到適配器。NVDC在電池充電時以及當電池補充適配器以提供系統電源時，NVDC作為降壓轉換器工作。

NVDC電池充電IC，適用于超級書籍或平板電腦等應用

由于電壓變化較低，NVDC具有比混合動力升壓（HPB）充電器更高的整體效率（將在下一節中討論），并且通常提供更好的線路瞬態響應。NVDC的兩個缺點包括：
較低的系統電壓會導致較高的總線電流，從而增加PCB走線中的傳導損耗，并抵消了使用較低額定電壓器件實現的一些節能效果。
由于使用了額定電流功率的FET和電感器，因此充電器的尺寸、成本和功耗可能更高。
混合動力增壓充電NVDC和HPB都使適配器和電池能夠協同工作，以便在系統負載超過適配器額定值時為其供電。HPB將電池能量反向提升到系統總線。同時，NVDC配置可快速打開QBAT（上圖中），使電池能夠輔助適配器并提供系統電源。
在HPB配置中，降壓轉換器在適配器提供系統電源并為電池充電時正常工作。當適配器電源不足時，降壓轉換器反向運行，使電池能夠補充適配器。HPB可以使用傳統適配器實現。

混合電源升壓電池充電器簡化原理圖

HPB的實施需要改變電池充電器控制器。與傳統電池充電器相比，HPB允許電池在需要時提供補充電源。缺點是充電系統的輕負載效率較低。
例如，在平板電腦和筆記本電腦中，HPB已被用于使CPU和GPU在玩游戲時同時達到其最高性能。在這種情況下，交流適配器和電池可以同時為系統供電。當電池電量高于40%時，HPB將自動運行，具體取決于程序要求。當HPB運行時，電池正在放電。當電池電量降至 30% 以下時，HPB 操作將暫停，電池開始充電。

鉛酸的三階段充電
鉛酸電池還需要多個充電階段才能獲得最佳性能。但是，與上面討論的鋰電池相比，這是一個簡單得多的過程。PbA電池充電器有兩到五個充電階段，而三級充電器（也稱為三相或三步）是最常見的。這三個階段是;體積，吸收和涓涓細流。
用于三相PbA充電的DIN41773型號為"IUoU"。IUoU代表："I"（恒流，批量充電），"Uo"（恒壓，吸收充電）和"U"（也是恒壓，涓流充電）。無論給這三個階段貼上什么標簽，目標都是在相對較短的時間內為電池充滿電，保持較長的電池壽命，并且只要連接到充電器，電池就會無限期地保持充滿電。
在散裝階段，假設提供電池安培小時（Ah）額定值的約25%的恒定電流，電池將達到約80%的完全充電。這25%的數字可能因制造商而異，要求批量充電率低至Ah額定值的10%。在幾乎每種情況下，在批量階段充電速度超過Ah額定值的25%都會縮短電池壽命。智能充電器可用于盡可能快地為電池充電，同時將電池溫度保持在100°F以下。雖然這可能是有效的，但它也可能會縮短某些電池的使用壽命，因此應遵循制造商的建議。

密封鉛酸蓄電池的三階段充電方案

在吸收階段（有時稱為"均衡階段"），剩余的20%的充電完成。在此階段，控制器將切換到恒壓模式，保持目標充電電壓，通常在14.1Vdc和14.8Vdc之間，具體取決于要充電的特定類型的鉛酸電池，同時相應地降低充電電流。如果電池已損壞（例如，由于永久硫酸鹽的積聚）并且電流沒有按預期下降，則充電器應關閉或立即切換到浮充級。
充電器將充電電壓降低到13.0Vdc至13.8Vdc之間，同樣取決于在浮動階段充電的特定類型的鉛酸電池。充電電流降至電池Ah額定值的1%以上。鉛酸電池可以無限期地保持漂浮狀態。事實上，保持電池處于浮動狀態將增加電池的使用壽命，因為它消除了自放電的可能性，將電池耗盡到不可接受的低水平并造成不可逆轉的損壞。

總結
電池充電在理論上很簡單，但獲得最大電池性能和使用壽命的實際實現要復雜得多，并且通常需要多級充電。雖然恒流穩壓器設計可以有效地為鎳氫和鎳鎘電池充電，但它們對鋰和PbA電池的充電效果較差。對于鋰電池和PbA電池，需要多級恒流充電和恒壓充電的各種組合，以確保最佳性能，延長電池壽命并提供安全操作。

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