使用锂离子技术实现电池充电器

2012-09-29 21:43:46来源: 互联网

本文中,我们将举例说明如何使用锂离子技术来实现电池充电器锂离子电池充电器通常采用恒流(CC) — 恒压(CV)充电曲线。充电过程会经历几个不同的阶段,在确保电池容量充满的同时要符合特定的安全规则。CC-CV曲线包括以下几个阶段:

    1. 预充

    2. 激活

    3. 恒流

    4. 恒压

    充电开始为预充阶段,以检查电池状况是否良好。在此阶段中,通常给电池提供电池容量5%到15%的少量电流,如果电池电压上升到2.8V以上,则认为电池状况良好,可以进入到激活阶段。在此阶段中,给电池提供相同的电流,但会持续更长的时间。当电池电压上升到3V以上,则启动快充,并提供等于或低于电池容量的恒定电流。当电池电压上升到完全充电电压(4.2V) 时或出现超时情况(不管哪一种情况先出现),恒流阶段结束。电池电压到达完全充电电压时,充电进入到恒压阶段,且电池电压保持恒定。要做到这一点,充电电流必须随着时间的推移而降低。这一阶段的充电过程相比于其它充电阶段而言所需的时间最长。在这个过程中,当充电电流降到“结束电流”限度以下,通常为电池容量的2%,则电池充满,充电过程结束。请注意,充电过程中每个阶段都有一个时间限制,这是一个重要的安全特性。

图1:锂离子电池充电曲线

    为了实施这一充电曲线,必须随时了解电池电压和充电电流。此外,还要检查电池的温度。因为在充电时,电池往往会变热。如果温度超过电池的规定限额,就可能对电池造成损害。

    就电池充电器的实现方案而言,用户可有两个选择。一是采用专门的电池充电器IC,二是采用更加通用的微控制器。第一种方案能快速解决问题,但其可配置性和用户界面选项(LED指示灯)有限。第二种方案采用微控制器,设计的时间会稍微长一些,但能提供可配置性选项,并且还能集成其它功能,如电池充电状态(SOC)计算以及通过通讯接口向系统中的主机处理器发送信息等。此外,微控制器不能提供充电器所必需的电源电路系统,而且还需要外部BJT或MOSFET。不过这些电源组件的成本相比于微控制器或专门的充电器IC 而言要低得多。

    充电器架构

    我们从充电曲线可以看出,单节锂离子电池充电器需要可控的电流源。电流源输出应当根据电池状态而改变。考虑到上述要求,基于微控制器的实施方案需要以下功能模块:

    1. 电流控制电路

    2. 电池参数(电压、电流、温度)测量电路

    3. 充电算法(用于实现CC—CV充电曲线)

    方案框图如下所示:

图2:锂离子电池充电器框图

    电流控制电路可采用电压源和电流反馈技术进行构建。其工作原理类似于典型的负反馈控制系统。允许充电电流通过小电阻以获得反馈,从而产生一定的电压。

    电压源可采用两种方法进行创建:

    1. 线性拓扑结构

    2. 开关:降压或升压拓扑结构

    线性拓扑结构采用线性模式的串联导通元件(BJT或MOSFET),如图3所示。

图3:线性拓扑结构

    通过控制串联导通晶体管Q1的偏置实现对充电电流的控制。可使用数模转换器(ADC)或脉宽调制器(PWM)配合外部RC低通滤波器来控制偏置。线性方法适用于充电电流(<1A)较低的情况,因为串联导通元件会面临功率消耗问题。

    开关拓扑结构本身具有低功耗的优势,能实现较高的充电电流。基于开关降压调节器的充电器如图4所示。

图4:开关降压调节器拓扑结构

    充电电流由驱动MOSFET的PWM占空比而设定。

    电池参数测量电路:反馈信号需要使用ADC进行测量,目前大多数微控制器均可提供ADC外设。在图3和图4中,我们看到了如何获取电池电压和电流反馈。然而,这些差分信号需要差分ADC进行测量,而通常在微控制器中采用的是单端ADC。图4和图5所示的电路通过让微控制器接地和电源接地不同,可方便地加以修改,从而为电压、电流和温度等所有3个参数生成单端信号。

图5:采用单端ADC进行测量

    电池负端可作为微控制器接地,这就让电压、温度和电流反馈可参考微控制器接地,并能进行单端ADC测量。对于电流反馈而言,正偏移电压需要引入,而反馈电压在电池充电时将为负。如图5所示,电阻R3和R4提供了所需的偏移电压。

    充电算法:这一行为将结束环路。CPU读取ADC以获取电压、充电电流和温度读数,并根据充电曲线控制PWM占空比。CPU监控ADC结果与控制PWM的速度取决于环路响应时间和CPU带宽消耗二者之间如何平衡。

    ADC参数和PWM分辨率:ADC分辨率和精确度以及PWM分辨率是在设计电池充电器时应考虑到的重要参数。ADC分辨率定义了输入电压测量的精度(这里是指反馈电压)。PWM分辨率则定义了改变输出信号占空比的精度,这进而又决定了电流控制电路的输出电压。锂离子电池充电时,电池电压需要实现准确和高精度的控制。当电池电压接近充满状态时,这一点就显得尤为重要。可控性取决于ADC分辨率、测量的准确度以及占空比变化的细粒度。

    图5给出了采用赛普拉斯CY8C24x23 PSoC器件实施的充电器架构示例。微控制器与通用数字和模拟模块配合使用,可配置为特定的电路功能。举例来说,持续时间模拟模块可用来实施可编程增益放大器和比较器。开关电容模拟模块则有多种不同用途,包括滤波器、数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC) 等。数字基础模块可用来实施PWM、计数器、定时器和缓冲器,而数字通讯模块则可用来实施SPI、UART、IrDA RX和TX等通信接口。此外,该器件还可提供I2C模块,可用作为主设备或从设备。

    图6所示为单节电池充电器应用的器件资源消耗情况,我们看到还有足够的数字和模拟模块能够实施其它有用的功能,这就为系统提供了更多的集成选项,从而有助于降低系统成本和大小。

图6:采用PSoC 1 (CY8C24x23)的实施方案

关键字:锂离子  电池  充电器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0929/article_17007.html
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