DS2770 Li+电池脉冲充电器与线性充电器的性能比较

脉冲充电器具有许多与线性充电器相同的优点，如：简单、廉价、小尺寸、外部元件少等。与线性充电器相比，脉冲充电器还具有一些独特的优势，它的热量主要耗散在墙上适配器、而不是充电器本身，由此，设计中不需要考虑散热问题。当然，它也存在某些缺陷，按照传统的观点，Li+电池脉冲充电器可能导致电池过早地老化，这一结论是以恒流充电过程和脉冲充电过程采用了相同的充电电流为前提的。利用DS2770构成的脉冲充电器进行一系列测试后，所得数据与传统观点并不相符。本文对线性充电器(CC/CV)和DS2770电池监视与脉冲充电器的测试数据进行了比较，主要对比了充电时间、电池有效容量和电池寿命等项指标。
充电时间和电池寿命

图1  线性充电器和脉冲充电器测试装置

图2  脉冲充电器与线性充电器在全温范围内充电时间对照图

图3  脉冲充电器与线性充电器在全温范围内可用电池容量对照图

图4  线性充电与脉冲充电时电池寿命对照图

DS2770电池监视器与充电控制器构成Li+电池充电器，用于提供脉冲充电、并在试验中充当库仑计，库仑计用于测量电池经过反复充电后的容量跌落值。图1所示为具体采用的测试电路。充电电源采用Keithley Model 2304，其开路电压设置为6.0V，配置为脉冲充电器时，Keithley连接到节点A(图1)，电流限制为750mA。启动充电后，DS2770将以所限制的电流为电池充电、直到电池电压达到4.2V时，转至脉冲充电，脉冲宽度(tPULSE)为875ms(典型值)，当tPULSE + tOFF = 14s(典型值)、占空比为6.25%时。终止充电。线性充电模式下，Keithley在恒流充电期间被设置为6.0V@750mA、与节点B连接在一起，此时，DS2770只用于测量恒流充电时的电池电压和恒压充电时的电池电流，如果检测到电池电压达到4.2V，Keithley将保持节点B为固定的4.2V。当DS2770检测到充电电流递减至50mA(节点B为4.2V)时，将终止充电过程，认为电池已充满。
另一个Keithley 2304用于放电周期的模拟负载，测试中所采用的放电过程均在25℃环境温度下进行，并在任何充电模式下保证相同的放电特性。以750mA的直流负载电流将电池放电至3.4V；释放负载后，电池电压将有所回升，然后以250mA的直流继续放电，使电池电压跌至3.4V；最后，以50mA的负载电流继续放电，当电池电压再次跌至3.4V时，认为电池已完全放电。从放电开始到放电结束，DS2770累计电流寄存器(ACR)内数值之差被当作每次充电的有效电池容量记录下来。

充电时间和电池有效容量
试验中采用一款新的1400mAh锂聚合物电池进行测试，充电器分别采用DS2770构成的脉冲充电器和分立式线性充电器，由于电池容量在最初的几次充电/放电过程中会有较大的变化，所以在进行实际测试之前，首先对电池重复进行10次充、放电。整个试验从40℃环境温度下用DS2770脉冲充电器对完全放电的电池进行充电开始，记录充电开始和充电结束的时间(利用PC机时钟)；室温恢复到25℃时，按照上述放电过程将电池电量完全放掉，记录放电开始和放电结束时对应的ACR数值之差、将其作为电池的有效容量。完成脉冲充电测试后，用线性稳压器在40℃环境温度下对电池进行充电，并记录充电时间；然后，在25℃时按照相同的放电过程对电池进行放电处理，记录ACR的差值。在0℃至40℃范围内、按照5℃间隔重复上述试验。所得结果如图2和图3所示。
从上述曲线可以看出：在给定温度下，两种充电模式得到的电池有效容量基本相同，高温区域脉冲充电模式下获得的有效电池容量略高于线性模式充电时的电池容量，低温区域结论恰好相反。两种充电模式对应的充电时间相差较大，低温充电时，恒压浮充过程所占用的时间要比脉冲浮充时间长37%；40℃时，脉冲充电过程时间缩短了14%。测试结果表明：脉冲充电明显比线性充电过程快。

电池寿命比较
为了比较脉冲充电模式和线性充电模式对电池使用寿命的影响，我们选用了两个新的1400mAh锂聚合物电池，两个电池分别利用线性充电器和脉冲充电器重复充电/放电500次，以电池有效容量的衰减作为衡量电池寿命的标准，试验结果如图4所示。试验表明：脉冲充电方式对于电池寿命的影响更小。25℃时，利用CC/CV方式对电池重复充电/放电500次后，电池有效容量要比脉冲方式下进行相同测试后的结果降低4.6%。

结语
线性充电器和脉冲充电器同样具有结构简单、成本低、尺寸小等优点，但是，线性充电器的热量主要耗散在调整管上，设计中需要考虑散热问题，脉冲充电器需要限流型电流源，但其热量主要耗散在充电电源上、而非电池组内部。传统的观点认为：由于脉冲充电器在电池电压达到VCV时是以1C的脉动电流进行充电，使电池寿命受到较大影响。利用DS2770电池监视器和充电控制器对电池进行充电，测试结果表明：脉冲充电器充电速度比线性充电器快16%(25℃)，并保持基本相同的有效电池容量；利用DS2770构成的脉冲充电器对Li+电池重复充电500次后对电池寿命的影响更小。■