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充电电路没有简单事,浅谈如何执行高效率设计

作者:时间:2013-09-22来源:网络收藏
充电电路没有简单事,浅谈如何执行高效率设计

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/228253.htm

  图2:锂离子电池化学技术充电曲线。

  开关模式与线性充电拓扑的对比

  传统上来说,手持设备都使用线性充电拓扑。该方法具有诸多优势:低实施成本、设计简捷以及无高频开关的无噪声运行。但是,线性拓扑会增加系统功耗,尤其是当电池容量更高引起的充电率增加的时候。如果设计人员无法管理设计的散热问题,这就会成为一个主要缺点。

  当PC USB端口作为电源时,则会出现其他一些缺点。当今在许多便携式设计上都具有USB充电选项,并且都可提供高达500mA的充电率。就线性解决方案而言,由于其效率较低,可以从PC USB传输的“电能”量就被大大降低,从而导致了充电时间过长。

  这就是开关模式拓扑有用武之地的原因。开关模式拓扑的主要优势在于效率的提高。与线性稳压器不同,电源开关(或多个开关)在饱和的区域内运行,其大大降低了总体损耗。降压转换器*率损耗的主要包括开关损耗(在电源开关中)以及滤波电感中的DC损耗。根据设计参数的不同,在这些应用中出现效率大大高于 95%的情况就不足为奇了。

  当人们听到开关模式这个术语时大多数人都会想到大型IC、大PowerFET以及超大型电感!事实上,虽然对于处理数十安培电流的应用而言确实是这样,但是对于手持设备的新一代解决方案而言情况就不一样了。新一代单体锂离子开关模式充电器采用了最高级别的芯片集成,高于1MHZ的使用频率以最小化电感尺寸。图1说明了当今市场上已开始销售的此类解决方案。该硅芯片的尺寸不到4mm2,其集成了高侧和低侧PowerFET。由于采用了3MHz开关频率,该解决方案要求一个小型1uH电感,其外形尺寸仅为:2mmx2.5mmx1.2mm(WxLxH)。  应用新型充电方案,提高锂电子电池的充电安全

  锂离子电池以其能量密度高、体积小、重量轻等优点,在手机、笔记本电脑市场已经完全取代其他电池,占有率几乎达到了100%。目前,正迅速延伸至电动工具及其他的应用中,它广阔的市场前景也越来越得到业界的认同。不过,与镍氢、镍镉、铅酸电池相比,要更快地推动锂离子电池的应用和发展,还必须不断提高它的安全性和使用寿命。本文将从充电器角度,讨论一种新型的充电解决方案以提高的安全性,延长电池使用寿命,同时降低充电器的成本。

  在使用电池的过程中,我们常会听到电池业者这样的一句话:“电池使用中坏的少,更多的是被充坏的”。这句话我们可以理解为,不正确的充电条件或方法将更容易损害电池、降低电池的寿命。以18650钴酸锂离子电池为例,当充电过温,在70℃左右:电解质界面(SEI)模开始分解并发热;120℃左右:电解质、正极开始热分解,造成析气并使温度迅速上升;在到260℃左右:电池爆炸。或充电过压,以过压5.5V来看,容易使锂金属析出,溶剂被氧化,温度上升,产生恶性循环,甚至电池着火、爆炸。因此,针对如何充电,我们共同来探讨下面几个重要的问题。

  为什么需要预充功能?

  电池工作电压从2.5V(碳负极电池:3V,电量为0%)到4.2V(电量为100%)。当电压小于2.5V时,电池放电终止。同时因为放电回路关闭使内部保护电路的电流损耗也降为最低。当然,实际应用中由于不同的内部材质,放电终止电压可在2.5V-3.0V范围。当电压超过4.2V时,充电回路终止,以保护电池安全;而当单体电池工作电压降到3.0V以下,我们即可认为过放电状态,放电回路终止,以保护电池安全。所以电池不用时,应将电池充电 20%的电量,再进行防潮保存。

  由于锂离子电池具有较高的能量比,因此在电池使用中要严格避免过充,过放的现象。过放会导致活性物质的恢复困难,此时如果直接进入快速冲电模式 (大电流),会对电池产生损害,影响使用寿命并可能因此带来安全隐患。先以小电流(C/10)充到2.5V至3.0V,再转换成快充是必要的。

  虽然目前锂离子电池在应用中都带有保护板,在通常的情况下,发生过放的几率会很小,但不加预充功能,在这两种情况下的情况还是可能带来过放的隐患。一是保护板失效,二是长时间放置(5%-10%/月)的自放电率。因此小电流预充可以有效解决过放电池的充电问题。

  但是,充电电流并非越大越好。以单体锂离子电池为例,它的充电方式都包括恒流、恒压充电过程,恒压通常为4.2V(以LiCoO2电池为例),恒流设置值为0.1C~1C。虽然大电流的充电会缩短充电时间,但也会造成电池生命周期的缩短和容量的降低,因此我们需选择恰当的恒流值进行充电。

  下面是一个4.2V/900mAH LiCoO2电芯的不同电流充电与电池容量的关系曲线(图1),我们可以看出大约500个充放周期后,小电流充电的电池容量明显大于大电流充电的电池容量。

  充电电路没有简单事,浅谈如何执行高效率设计

  恒压充电时的电压精度要求

  作为高能量密度电池,过充会对锂离子电池造成很大的危害,有可能会膨胀漏液甚至发生爆炸。而且过充容易造成电池里面的电解物质加快反应而造成电池的使用寿命减短,因此准确的恒压值充电对锂离子电池的使用寿命而言有着重要的意义。

  为了更充分地充满电,要保证恒压值和终止电压值的精度在1%之内。以钴酸锂离子电池为例,最好能尽可能接近4.2V,但又不超过4.2V,这种高精度的电压充电法,可以减少钴的溶解,稳定LiCoO2的层状结构,使它的包覆不发生相变,提高循环性能,并保持高容量。此外,即使轻微的过压也会带来两个现象的改变,电池初始容量减小和电池循环寿命降低。

  充电电路没有简单事,浅谈如何执行高效率设计

  在多节锂离子电池串联的情况下,为保证获到最大的电池容量和寿命,因此有时甚至要求精度达到0.5%以内。所以说,充电电压的精度控制是锂离子电池充电器的一个关键技术。

  目前人们对充电电压有这样一个误解,认为有了电池保护板,在电压精度上不必关心,这是不可取的。因为电池保护板目的是用于对可能的意外事故进行及时的保护,它考虑的比较多的是安全因素,而不是性能因素。比如以4.2V的电芯为例,保护板的过压保护参数是4.30V(有的可能会要 4.4V),假如每次都过充,以4.30V作为充电截止点,电池容量也会很快衰减的。

  为什么需要充电



关键词: 充电电路 锂电池

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