便携式系统的锂离子电池充电技术

今天，便携式应用对电池提出了许多独特要求：电池必须具有高能量密度，以为便携式应用提供源源不断的能量(突发或连续模式)；电池重量要轻，占位面积要小；电池应能够安全地使用和防止可能的滥用，并具有无限期的闲置使用寿命；最后，电池应该具有极低的成本。由于锂离子或锂聚合物电池能满足大多数上述要求，因此它们已经成为当前便携式应用的首选电池。可充电锂离子电池的一般特性与其它现有电池相比，可充电锂离子电池具有多项优势，这使它们成为更适合于便携式应用的电源。它们可以提供更高的能量密度(最高达200Wh/kg或300-400Wh/L)和更高的电池电压(炭阳极电池为4.1伏，石墨阳极电池为4.2伏)。锂离子电池的外形可以是四边形，并具有更长的充电保持或闲置寿命以及更高的充电次数。锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为便携式应用制造出更小和更轻的电池，更轻和更小的电源对便携式应用而言常常是至关重要的。不过，要想充分利用电池容量或延长电池寿命，必须极其严格地控制充电参数。延长电池寿命的关键是合理选择充电参数，如电流、电压和温度。在充电过程中，施加电压的精度对提高电池的效率和延长电池的寿命具有非常重要的作用。超过充电终止电压将导致过充电，这在短期内会增加电池的供电量，但长期来说则会导致电池失效并产生安全问题。充电终止电压每提高1%，电池的初始容量就会增大约5%。这种显而易见的短期增益效应会对电池的充电/放电次数产生严重的后果。过充电导致了充电次数的减少。另一方面，欠充电尽管不会产生安全问题，但会显著减小电池的容量。一般来说，锂离子电池的充电原理在概念上非常简单。电池的等效电路通常被认为是由一个电容量很大的电容器与一个内部漏电电阻RLeakage组成的并联电路。电池导线与电芯本身之间的电阻和电感分别用有效串联电阻(ESR)和有效串联电感(ESL)表示。这些参数是电池的机械结构和特殊化学成分的函数。电池的ESR介于50到200m(之间，而ESL是纳亨量级的电感。我们将在下文中看到，ESR给在充电期间精确地检测电池电压带来了特殊的挑战。锂离子电池的充电方法有很多种。最简单的锂离子电池充电器通常指的是恒压(CV)充电器(见图1)。它由与电池两端相连的一个电流受限的恒压源组成。它的电流被限制在电池容量以下，输出电压调节为电池终止电压(炭阳极电池是4.1V，石墨阳极电池是4.2V)。

能量耗尽的电池将尽可能吸收充电电源提供的电流。在给电池充电时，电池两端的电压将会上升，而充电电流将逐渐变小。当充电电流下降到0.1C以下时，可以认为电池已被充满。因为不主张涓流充电(tricklecharg)，所以当充电结束时，充电器必须完全关闭或断开。为防止有缺陷的电池被不确定的电流充电，应使用后备定时器来终止充电过程。虽然恒压充电是一种成本相对较低的方法，但它的确需要很长的充电时间。由于电源电压保持恒定，随着电池不断被充电，充电电流将迅速下降，从而使充电的速度也迅速下降。然后，给电池充电的电流速率将远低于它可以承受的电流速率。一种更快的充电方法是恒流/恒压(CC/CV)充电，如图2所示。当开始充电时，CC/CV充电器首先施加一个等价于电池容量C的恒定电流。为防止在恒流充电周期中过充电，需要监视电池封装两端的电压。当电压上升到给定的终止电压时，电路切换到恒压源工作模式。即使电池封装两端的电压达到终止电压，但因为在ESR上存在电压降，所以实际的电池电压将低于终止电压。在恒流充电期间，电池能以接近其终止电压的高电流速率充电，且不会有任何被施加高电压和发生过充电的威险。经恒流充电后，电池的容量将达到其额定值的约85%。在恒流周期结束后，充电器切换到恒压周期。在恒压周期，充电器通过监视充电电流来决定是否结束充电。与恒压充电器一样，当充电电流减小到电池的0.1C以下时充电周期结束。图2显示了一个完整的CC/CV充电过程。

尽管实现CC/CV充电方法需要更加复杂的电路，但因为它可以显著减少充电时间，所以各种不同的CC/CV充电方式在锂离子电池充电应用中居于主导地位。迄今为止，我们一直假定被充电的对象是质量好的电池。但情况并非总是如此。被充电的电池可能有缺陷而不能接受充电。此外，试图对有缺陷的电池进行快速充电可能会产生安全隐患。理想的充电器必须能检测所有可能的电池故障模式，并有针对性地进行充电。为简化问题，我们在前面的讨论中有意忽略了另一个因素，即电池温度。如果锂离子电池的温度超出指定的温度范围，那么给它充电将是不安全的。目前，所有充电器都必须跟踪电压的变化，而CV/CC充电器甚至需要跟踪电流和电压。但正如前文所指出的，我们在提高充电器效率和延长电池寿命的同时不能忽略潜在的安全问题，这使我们越来越需要更智能的充电操作。为防止因意外把反向电压施加到电池上，所有锂离子电池包都包含一些复杂的电路。一般来说，保护功能包括防止过放电、过充电、过大的充/放电电流以及避免电池被施加高电压。在电池的充电或放电期间，如果任何参数超过了特定电池设置的限制值，电芯与电池终端之间的连接将断开。通常，当反向电压被撤除或者电池被预置之后，经过一段时间，充电器将会复位。除了电子保护以外，电池还包含机械的二级过流保护器件。一种聚合物正温度系数(ppTC)过流保护器件被串联在电池封装与电芯终端之间。当发生过流时，ppTC器件从低阻抗状态转换到高阻抗状态，从而保护了电路。器件因I2R发热效应产生的热量导致它的温度上升，而上述变化正是器件温度快速增高的结果。好的充电器设计必须能够确定锂离子电池是否可以安全、有效地进行快速充电。下面是一些支持便携式应用的充电器实例。独立型充电器Lp3946Lp3946是独立型单单元锂离子电池充电器，它带有一个集成的导通晶体管和电流传感电阻。除了充电功能外，它还可以工作在低压降(LDO)模式下。这个功能在制造过程中非常有用，因为在对产品进行测试和性能验证时，它免除了插入电池的需要。充电周期从插入电源变压器开始。充电器首先验证输入电压，如果它在允许的范围之内，充电器将启动电池认证过程。在这个阶段，一个电流源向电池终端施加50mA电流，同时监视电压。如果电池两端的电压高于3.0V，表示电池的状况良好，那么恒流充电周期将启动。电流的幅度是电池容量的函数，这可以参考电池制造商推荐的数值。典型充电电流是1C，但一些电池需要更低的充电电流。Diff-Amp的输出端可以模拟重现充电电流。Diff-Amp输出端也代表在LDO工作模式下的电流。在单电源供电系统中，为避免当工作电压接近地电位时发生精度错误，Diff-Amp的输出被偏置为0.5V。为便于使用和减少外部元件数量，Lp3946的快速充电电流是在工厂按用户的要求设定的。恒流源也可以在工厂设定成从500mA到950mA之间按50mA递增的任何值。其它工厂可以预置的参数包括终止电压(4.1或4.2V)和充电结束电流(0.1C、0.15C或0.2C)。在恒流周期，为避免过充电，要非常精确地监视电池电压。正如前面所描述的，如果超过电池的终止电压，电池寿命将逐步缩短，而且这个效应是累积性的。在恒流充电过程中，由于在电池的ESR上存在电压降，所以电池两端的电压并不能准确代表电芯的电压。当在终止电压结束恒流周期时，ESR的电压降提供了一个保险裕度，使电池不会被施加过高的电压。在恒流周期，电池被充电到容量的80-85%左右。在恒流周期结束之后，恒压周期开始启动。在这个周期，电池的充电电流为ICharger=(VBatt-Vcell)/ESR。在充电过程中，Vcell不断升高而充电电流随之下降。随着充电电流的减小，因ESR产生的误差也将逐渐减小，所以电池两端的电压可以更准确地代表电芯的实际电压。当电流下降到预置的充电结束(EOC)电流以下时，充电终止。通常，推荐的EOC电流水平为0.1C、0.15C和0.2C。一旦检测到EOC电流，充电周期结束。在这时，充电器电路关闭，维护周期启动。在维护周期，当监视到电池电压下降到3.9V以下时，充电周期重新开始(假设检测到的整流器信号有效)。当电能消耗使电池电压下降到3.0V以下时，快速充电被预认证周期替代。这主要是出于安全考虑，并避免对可能有故障的电池进行快速充电。在正常运行时，如果电芯电压下降到这个电平，内部保护电路将被激活，以切断电芯终端与电池封装终端之间的连接。如果电池没有永久性损坏，则施加低水平的电流以逐步提高电池电压，并使内部保护电路复位。作为一个后备保护器件，定时器计数器会记录总的充电时间。如果电池经过5.6小时的恒流或恒压充电仍未达到终止电压，那么将放弃充电。作为充电周期的可视指示信号，CHG信号点亮一个红色LED，表示充电周期的开始。EOC信号点亮一个绿色LED，表示充电周期的结束。在维护周期，只要交流变压器依然插在墙上，绿色LED就一直接通。如果检测到故障条件，红色和绿色LED将同时接通。BIpB输入引脚是一个多功能引脚。它的主要功能是允许Lp3946在没有插入电池时作为LDO来工作。在LDO模式，Lp3946的输出设定为4.1V。BIpB引脚还能被用于电池就位检测功能，即当电池就位时，它将通过电池的ID电阻与地连通。Lp3946是一个典型的自维护充电器，它便于使用，而且只需要最少数量的外部元件。在充电周期，它实际上不需要用户干预。然而，一些应用要求与充电器进行更多的互动。其主要原因是为了修改充电参数，以便使它们与被充电的电池类型匹配。这样的一个例子是标准电池与大负荷或高容量的电池互换。高容量电池可以使用为低容量电池设定的充电参数进行充电，但这需要更长的充电时间。不过，因为安全的原因，相反的情形是不受推荐的。Lp3945-参数可编程的充电器Lp3945的应用电路如图3所示。同样，为了减小所需的pCB空间，它使用最少数量的外部元件。用户可以通过I2C接口与该设备进行通信。在工厂的默认设置是：500mA的恒流电流、4.1V的终止电压和0.1mA的EOC电流。当通电时，充电器使用这些默认值，但用户可以通过编程把它们设定成不同的值。恒流的电流范围为500mA到950mA，步进增量为50mA。终止电压的选项是4.1V和4.2V，EOC选项是0.1C、0.15C和0.2C。只要在Vbatt引脚维持与电池的连接且电池电压高于2.85V，那么新设定的数值将在启动时被用作默认值。如果电池断开连接或者电池电压降低到2.85V以下，那么在后续的充电周期中将使用工厂的默认值。除了可以改变电池的工作参数之外，用户还可以通过I2C接口读取EOC和CHG寄存器的状态，从而查询充电周期的状态。Lp3945的特性在带有(控制器的应用中可以得到充分利用。结论为了给快速增长的一系列便携式产品供电，人们正在开发具有更宽工作温度范围、更高能量密度和更长闲置寿命的电池。随着我们对电池特性的理解不断深入，电池充电技术也在持续改进。此外，新型应用导致新方法的出现，并创造新的需求。例如，从连接到pC的USB接口给电池充电。在这种应用中，USB协议要求连接到该端口的任何设备最初必须工作在低功率模式，例如消耗的电流低于100mA。充电过程必须从100mA电流开始，充电器的输入电压只能为4.5V。一旦主机与设备之间建立通信后，主机将允许高功率工作模式。这样的应用需要一定水平的智能，而且这种水平的智能必须由充电器或者利用充电器的系统提供。