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2023-03-30 09:12:30
世界觀察：電池快速充電指南——第1部分
2023-03-30 09:12:30 來源: 電子創新網
作者：Franco Contadini，現場應用工程師和Alessandro Leonardi，現場銷售客戶經理
(資料圖片)
摘要
雖然更高的電池容量延長了設備的使用時間，但如何縮短充電時間，這給設計人員帶來了額外的挑戰。快速充電適用于廣泛的設備，包括消費電子、醫療和工業應用。本文分為兩部分，概要介紹與實現電池快速充電功能相關的挑戰。第1部分探討在主機和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統的靈活性、盡可能降低功耗，并提升用戶的總體體驗。此外，還介紹設備包含的監測功能，確保實現安全充電和放電。第2部分探討使用并聯電池實現快速充電系統。
簡介
在如今這個移動設備當道的時代，電池壽命是影響用戶體驗的主要因素之一。在設備內部集成省電技術非常重要，但這只是解決方案的一部分。隨著移動設備的功能不斷增多，其對電力的要求也不斷提高，原始設備制造商(OEM)也嘗試大幅提高電池容量，以此延長電池的使用壽命。
例如，1S2P（1個電池串聯，2個電池并聯）這類架構開始風行，通過使用兩個并聯電池來提高總電池容量。提高電池容量帶來的問題就是充電時間隨之延長。為了盡可能縮短充電時間，電池技術不斷改善，將充電電流從2C增大到3C或6C（也就是說，xC是1小時內通過電池的額定電流的x倍）。例如，2000 mAh電池在不對電池可靠性產生不利影響的情況下，會消耗最高12 A充電電流。
對于高電流需要特別注意，確保安全充電和放電。將電池并聯使用時，開發人員還需要考慮電阻和初始容量的不匹配。在本系列文章的第1部分，我們概要介紹在所有類型的設備中提供電池快速充電功能時遇到的挑戰，包括消費電子、醫療和工業應用。
我們還將探討如何為高性能1S2P電池充電，如何在主機和電池包之間分隔充電器和電量表，以提高系統的靈活性，盡可能降低功耗，并改善整體用戶體驗。
充電器基礎知識，以及為何電量計位置分區非常重要
電池充電系統的關鍵元件包括充電器本身，以及報告電池指標的電量計，例如電池的充電狀態(SOC)、剩余電量使用時間和電池充滿所需時間。電量計可以集成在主機端，或者集成在電池包中（參見圖1）。
圖1.電池電量計可以集成在主機端，或集成在電池包中。
集成在電池包中時，電量計需要使用非易失性存儲器來存儲電池信息。電源路徑中的MOSFET監測充電/放電電流，保護電池免于遭受危險狀況。MAX17330是ADI公司提供的電池電量計，內置保護電路和電池充電器功能（參見圖2）。
圖2.包含充電MOSFET調節功能的電量計框圖。
圖3.高壓/高電流快速充電系統框圖。
充電MOSFET可以精細調節，以實現線性充電器，在充電電源限制為5 V，充電電流在500 mA范圍內時，該器件可以獨立使用。由于鋰電池在99%充電曲線中的充電電壓都超過3.6V，因此功耗受到限制。
在充電器前面連接降壓轉換器來調節其輸出電壓，這樣就可使用高壓充電電源和高充電電流（參見圖3）。同時還可以充分減少壓降，從而降低充電MOSFET的功耗（參見圖4）。
圖4.使用降壓轉換器來調節輸出電壓，以高效實現10 A充電電流。圖中所示的是MAX20743降壓轉換器，VIN= 12 V。
在電池包中集成電量計會使電池變得智能，能夠用于先進充電場景，實現先進充電功能。例如，電量計可在其非易失性存儲器中存儲適合電池包中電池的充電曲線參數。因此無需通過主機微控制器單元(MCU)充電。現在，主機MCU僅需管理來自電池包的ALRT信號，根據收到的警報類型增大/降低降壓轉換器的輸出電壓。
CP：熱限制 → 降低電壓。
CT：MOSFET溫度限制 → 降低電壓。
壓差：→ 增大電壓。
CP是一種標志，當流經保護MOSFET的電流影響散熱性能時，該標志置位。CT是一種標志，在MOSFET溫度過高時置位。熱限制和MOSFET限制設置使用nChgCfg1寄存器組進行配置。
可編程降壓轉換器（例如MAX20743）使用PMBus?來精細調節輸出電流。降壓轉換器中的集成式MOSFET支持高達10 A的充電電流。此外，由于PMBus使用I2C作為其物理層，可以使用單個I2C總線來管理降壓轉換器和電量計。
以下示例展示一種為單個3.6 V鋰電池充電的方式。圖5顯示充電系統中電壓和電流的時域形狀。具體來說，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉換器的輸出電壓。
圖5.單個電池快速給3.6 V鋰電池充電。
可以看出，降壓轉換器的輸出(VPCK)設置為高于電池電壓50 mV。該輸出電壓會持續增大，以免造成壓差，且盡可能降低總功耗。
電池安全管理
由于快速充電期間的電流很高，OEM必須要確保安全充電。因此，作為整個電池管理的一部分，智能快速充電器必須能夠監測多個重要參數。例如，在根據電池制造商規格和建議監測電池溫度和環境/室溫的情況下，快速充電器可以確定何時降低充電電流和/或降低端電極電壓，以確保電池安全，延長電池的使用壽命。
可以根據溫度調節電壓和電流，以符合六區JEITA溫度設置要求（參見圖6），且基于電池電壓進行三區步進充電。
圖6.6區JEITA溫度范圍。
使用步進充電曲線，根據電池電壓改變充電電流，可以進一步延長電池的使用壽命。圖7顯示使用3個充電電壓和3個相應的充電電流的步進充電曲線。可以通過狀態機來管理各級之間的轉換（參見圖7）。
圖7.步進充電曲線，使用狀態機來管理各級之間的轉換。
注意，電流、電壓和溫度都是相互關聯的（參見表1和表2）。
并聯充電
多電池并聯充電需要額外管理。例如，當兩個電池的電壓相差超過400 mV時，充電器必須防止出現交叉充電。只有當最低電池電量太低，無法支持系統負載時，才容許在有限的時間里進行交叉充電（參見表3和圖8）。
表1.充電電流，支持步進充電和JEITA
溫度 | 太冷 | 冷 | 室溫 | 溫暖 | 熱 | 太熱 |
<0°C | 0°C至10°C | 10°C至40°C | 40°C至45°C | 45°C至55°C | >55°C | |
第2步 | 未充電 | 0.19°C | 0.25°C | 0.22°C | 0.15°C | 未充電 |
第1步 | 未充電 | 0.38°C | 0.5°C | 0.44°C | 0.31°C | 未充電 |
第0步 | 未充電 | 0.75°C | 1°C | 0.88°C | 0.625°C | 未充電 |
表2.充電電壓，支持步進充電和JEITA
溫度 | 太冷 | 冷 | 室溫 | 溫暖 | 熱 | 太熱 |
<0°C | 0°C至10°C | 10°C至40°C | 40°C至45°C | 45°C至55°C | >55°C | |
第2步 | 未充電 | 4.14 V | 4.2 V | 4.18 V | 4.16 V | 未充電 |
第1步 | 未充電 | 4.1 V | 4.16 V | 4.14 V | 4.12 V | 未充電 |
第0步 | 未充電 | 4.06 V | 4.12 V | 4.1 V | 4.08 V | 未充電 |
表3.FET邏輯管理
PAREN | BLOCKDIS | ALLOWCHGB | CHG FET | DIS FET |
0 | × | × | 正常 | 正常 |
1 | 0 | 0 | 正常 | 正常 |
1 | 0 | 1（超時） | 準備攔截 | 正常 |
1 | 1 | 0 | 正常 | 準備攔截 |
1 | 1 | 1（超時） | 準備攔截 | 正常 |
在本系列文章的第2部分，我們將探討使用評估套件和樹莓派板，使用并聯電池實現快速充電系統。
圖8.為了防止交叉充電，當電池ΔV >400 mV，會阻止電壓更高的電池放電。
結論
將充電和電量計功能從主機端移動到電池包一端，可以單獨控制1S2P配置中的每個電池。因此不需要由主機MCU完全管理充電，而是智能充電器本身根據優化充電曲線來管理其輸出。由于主機端的管理只是管理電量計生成的ALRT信號，所以系統能夠輕松采用不同的電池包。
必要時，智能充電器還可以阻止充電和放電，以防出現交叉充電。這種方法無需考慮電池不匹配問題，提高了典型快速充電系統的靈活性。借助快速電池充電技術，除了簡化設計和整個充電流程之外，OEM還可以充分降低功耗，確保廣泛應用的充電和放電安全，并改善用戶體驗。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Franco Contadini擁有超過35年的電子行業從業經驗。在從事電路板和ASIC設計工作10年之后，他成為現場應用工程師，為工業、電信和醫療客戶提供支持，主要負責電源和電池管理、信號鏈、加密系統和微控制器。Franco撰寫了多篇關于信號鏈和電源的應用筆記和技術文章。他在意大利熱那亞ITIS主修電子學。
Alessandro Leonardi是ADI米蘭分公司的客戶經理。他擁有米蘭理工大學的電子工程學士和碩士學位。畢業后，他參加了ADI公司的現場應用培訓生項目。
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