锂离子电池充电系统的差异与选择

　　简介

　　目前，便携式设备的供电问题向系统设计师提出了许多挑战，利用电池作为主电源的做法越来越流行，因此系统设计师必须设计出高度精密的系统，充分挖掘电池的所有潜力。每种应用都是不同的，但有一点却相同：尽可能地充分利用电池的容量，这一目标与如何恰当地为充电电池充电直接相关。为了设计出合适且可靠的电池充电系统，需要对电池的充电特性和应用本身要求有深入的理解，每种方法都有其相应的优缺点，具体应用及其要求才是决定哪种方法最适合的关键因素。

　　充电系统在设计中往往不太受重视，特别是在成本敏感的应用中。然而，充电系统的质量对于电池的寿命和可靠性至关重要。本文探讨了锂离子电池充电的基本原理，并具体讨论了线性充电解决方案和基于单片机的开关式解决方案，以Microchip的MCP73843和MCP73861线性充电管理控制器和PIC16F684单片机以及MCP1630脉宽调制器（PWM）为例展开讨论。

　　锂离子充电

　　充电或放电速率通常根据电池容量来表示。这一速度称为C速率。C速率等于特定条件下的充电或放电电流，定义如下：

I=M×Cn

　　其中：

• 　　I = 充电或放电电流，A
• 　　M = C的倍数或分数
• 　　C = 额定容量的数值，Ah
• 　　N = 小时数（对应于C）。

　　以1倍C速率放电的电池将在一个小时内释放标称的额定容量。例如，如果标称容量是1000mAhr，那么1C的放电速率对应于1000mA的放电电流，C/10的速率对应100mA的放电电流。

　　通常生产商标定的电池容量都是指n=5时，即5小时放电的容量。例如，上述电池在200mA恒流放电时能够提供5小时的工作时间。理论上该电池在1000mA恒流放电时能够提供1小时的工作时间。然而实际上由于大电池放电时效能降低，此时的工作时间将小于1小时。

　　那么怎样才能正确地为锂离子电池充电呢？锂离子电池最适合的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止。参考图1。

　　阶段1：涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充（恢复性充电）。在电池电压低于3V左右时，先采用最大0.1C的恒定电流对电池进行充电。

　　阶段2：恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至1.0C之间。恒流充电时的电流并不要求十分精确，准恒定电流也可以。在线性充电器设计中，电流经常随着电池电压的上升而上升，以尽量减轻传输晶体管上的散热问题。

　　大于1C的恒流充电并不会缩短整个充电周期时间，因此这种做法不可取。当以更高电流充电时，由于电极反应的过压以及电池内部阻抗上的电压上升，电池电压会更快速地上升。恒流充电阶段会变短，但由于下面恒压充电阶段的时间会相应增加，因此总的充电周期时间并不会缩短。

　　阶段3：恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。为使性能达到最佳，稳压容差应当优于+1%。

　　阶段4：充电终止——与镍电池不同，并不建议对锂离子电池连续涓流充电。连续涓流充电会导致金属锂出现极板电镀效应。这会使电池不稳定，并且有可能导致突然的自动快速解体。

　　有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器（或者两者的结合）。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

　　上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口（通常为0℃至45℃），那么充电会暂停。

　　锂离子充电——系统注意事项

　　要快速可靠地完成充电过程需要一个高性能的充电系统。为实现可靠且经济高效的解决方案，设计时应当考虑到以下系统参数：

　　输入源

　　许多应用都采用极廉价的墙式适配器作为输入电源。其输出电压主要依赖于交流输入电压和从墙式适配器流出的负载电流。

　　在美国标准的墙面插座上交流母线输入电压的变化范围一般为90VRMS至132VRMS。假设额定输入电压为120VRMS，容差为+10%,−25%。充电器必须为电池提供适当的稳压措施，从而不受输入电压的影响。充电器的输入电压与交流母线电压和充电电流成比例：

VO=2VIN×a-1O(REQ+RPTC)-2×VFD

　　REQ是次级绕组的电阻与初级绕组反射电阻（RP/a2）的和。RPTC是PTC的电阻，VFD是桥式整流器的前向压降。此外变压器磁芯损失也会使输出电压略有降低。

　　利用汽车适配器充电的应用也会遇到类似的问题。汽车适配器的输出电压典型范围为9V至18V。

　　恒流充电的速率和精度

　　特定应用的拓扑结构选择可能要由充电电流来决定。许多大恒流充电应用或多节电池充电应用都采用开关式充电解决方案来获得更高的效率并避免产生过多热量。出于尺寸和成本方面的考虑，低档和中档的快速充电应用则倾向于采用线性解决方案，然而线性解决方案会以热的形式损失更多能耗。对于线性充电系统来说，恒流充电的容差变得极为重要。如果稳压容差太大，传输晶体管和其他元器件都需要更大体积，从而增加尺寸和成本。此外，如果恒流充电电流过小，整个充电周期将会延长。

　　输出电压的稳定精度

　　为了尽可能地充分利用电池容量，输出电压稳压精度非常关键。输出电压精度的小幅度下降也会导致电池容量的大幅减少。然而出于安全和可靠性方面的考虑，输出电压也不能随意设置得过高。图2显示出了输出电压稳定精度的重要性。

　　充电终止方法

　　毋庸置疑，过充始终是锂离子电池充电的心头大患。准确的充电终止方法对于安全可靠的充电系统来说非常关键。

　　电池温度监控

　　一般情况下，锂离子电池充电时的温度范围应当在0℃至45℃。在此温度范围之外对电池充电会导致电池过热。在充电周期中，电池内的压力上升还会导致电池膨胀。温度与压力直接相关。随着温度上升，压力也会过大，这可能会导致电池内部的机械破裂或材料泄漏，严重时还有可能导致爆炸。在此温度范围之外对电池充电还会损害电池的性能，或缩短电池的预期寿命。

　　通常锂离子电池包内都采用了热敏电阻来准确测量电池温度。充电器检测热敏电阻的阻值，当阻值超出规定工作范围，即温度超过规定范围时，充电被禁止。

　　电池放电电流或反向泄漏电流

　　在许多应用中，即使输入电源不存在，充电系统仍然与电池相连。充电系统必须保证输入电源不存在时，从电池汲取的电流极小。最大泄漏电流应当小于几个微安，通常应小于一个微安。

　　锂离子充电——应用实例

　　将以上几点系统注意事项事先充分考虑，就能开发出适合的充电管理系统。

　　线性解决方案

　　当存在稳压良好的输入电源时，通常采用线性充电解决方案。在此类应用中，线性解决方案的优点包括易用、尺寸小以及成本低。由于线性充电解决方案效率低，因此影响设计的最重要因素就是散热设计。散热设计是输入电压、充电电流以及传输晶体管和环境冷却空气间的热阻。最糟的情况是器件从涓流充电阶段向恒流充电阶段转换时，在此情况下，传输晶体管必须散发最大的热能，必须在充电电流、系统尺寸、成本和散热要求之间进行权衡。

　　例如，应用中需要利用一个5V ±5%的输入电源以0.5C或1C的恒定电流对一个1000mAh的单节锂离子电池充电。图3显示了如何利用Microchip的MCP73843构成一个低成本的独立解决方案，只需要极少量的外部元器件，就可以实现所需要的充电算法。MCP73843完美地结合了高精度恒流充电、恒压稳压以及自动充电终止等功能。