鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：844次 | 2019年05月11日
為什么說正確選擇與應(yīng)用好便攜式電子備中電池技術(shù)至關(guān)重要？
前言
如今的便攜式電子備中電池技術(shù)包括電量檢測(cè)算法、電池充電算法與電池充電技術(shù)等幾個(gè)方面。眾所周知,充電式電池化學(xué)反應(yīng)有鎳鎘、鎳氫、鋰離子和鋰聚合物4種程式,作為便攜式電子設(shè)備來說,雖然這4種電池程式各有特點(diǎn),但從能量密度與安全性角度的發(fā)展與實(shí)踐可知,鋰離子電池和鋰聚合物電池的優(yōu)勢(shì)己成為小型長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的設(shè)備的理想之選，比如筆記本電腦以及基于硬盤的PMP等.對(duì)便攜式電子備工程師來說，正確選擇與應(yīng)用好便攜式電子備中電池技術(shù)至關(guān)重要,值此本文將對(duì)此作研討,并作應(yīng)用舉例分析.
1、關(guān)于細(xì)流充電、快速充電和穩(wěn)定充電的電池充電算法
根據(jù)最終應(yīng)用的能量需求，一個(gè)電池組可能包含最多4個(gè)鋰離子或鋰聚合物電池芯,其配置可有多種變化，同時(shí)帶有一個(gè)主流的電源適配器：直接的適配器、USB接口或汽車充電器。除去電芯數(shù)量、電芯的配置或電源適配器類型上的差別，這些電池組都有同樣的充電特性。因此它們的充電算法也一樣。鋰離子與鋰聚合物電池最好的充電算法可以分為3個(gè)階段：細(xì)流充電、快速充電和穩(wěn)定充電。
*細(xì)流充電.用于對(duì)深度放電的電芯進(jìn)行充電。當(dāng)電芯電壓在低于大約2.8V時(shí)，用一個(gè)恒定的0.1C的電流為它充電。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
*快速充電.電芯電壓超過細(xì)流充電的門檻時(shí)，提高充電電流進(jìn)行快速充電?？焖俪潆婋娏鲬?yīng)低于1.0C。
*穩(wěn)定電壓。在快速充電過程中，一旦電芯電壓達(dá)到4.2V，穩(wěn)定電壓階段就開始了。這時(shí)可通過最小充電電流或定時(shí)器或這兩者的聯(lián)合來中斷充電.當(dāng)最小電流低于大約0.07C時(shí)，可中斷充電。定時(shí)器則要靠一個(gè)預(yù)設(shè)的定時(shí)器來觸發(fā)中斷。
高級(jí)的電池充電器通常帶有附加的安全功能。比如，如果電芯溫度超出給定窗口，通常是0℃--45℃，充電就會(huì)暫停。除去某些非常低端的設(shè)備，現(xiàn)在市面上的鋰離子／鋰聚合物電池充電方案都集成或是帶有外置的元件，以便按照充電特性進(jìn)行充電，這不光是為了取得更佳充電效果，同時(shí)也是為了安全。
2、鋰離子/聚合物電池充電方案
鋰離子/聚合物電池的充電方案對(duì)于不同數(shù)量的電芯、電芯配置以及電源類型還是不同的。目前主要有3種主要的充電方案：線性，Buck(降壓)開關(guān)和SEPIC(升壓與降壓)開關(guān)。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
2.1線性方案
當(dāng)充電器輸入電壓大于全充滿電芯加上充足凈空之后的開路電壓時(shí)，最好用線性方案，特別是1.0C快速充電電流不比1A大太多時(shí)。比如，MP3播放器通常只有一個(gè)電芯，容量從700到1500mAh不等，滿充開路電壓是4.2V。MP3播放機(jī)的電源通常是AC／DC適配器或者是USB接口，其輸出是規(guī)則的5V；這時(shí)，線性方案的充電器就是最簡(jiǎn)單、最有效率的方案。圖2所示為鋰離子/聚合物電池充電方案線性方案,基本結(jié)構(gòu)和線性電壓規(guī)整器一樣。
*線性方案的充電器應(yīng)用例舉-雙輸入Li+充電器及智能電源選擇器MAX8677A。MAX8677A是雙輸入U(xiǎn)SB/AC適配器線性充電器，內(nèi)置SmartPowerSelector，用于由可充電單節(jié)Li+電池供電的便攜式設(shè)備。該充電器集成了電池和外部電源充電和切換負(fù)載所需的全部功率開關(guān)，因此無需外部MOSFET。MAX8677A理想用于便攜式設(shè)備，例如智能手機(jī)、PDA、便攜式多媒體播放器、GPS導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、以及數(shù)碼攝像機(jī)。
MAX8677A可以工作于獨(dú)立的USB和AC適配器電源輸入下或兩個(gè)輸入中的任意一個(gè)輸入下。當(dāng)連接外部電源時(shí)，智能電源選擇器允許系統(tǒng)不連接電池或可以與深度放電電池連接。智能電源選擇器自動(dòng)將電池切換到系統(tǒng)負(fù)載，使用系統(tǒng)未利用的輸入電源部分為電池充電，充分利用有限的USB和適配器輸入電源。所有需要的電流檢測(cè)電路，包括集成的功率開關(guān)，均集成于片上。DC輸入電流限最高可調(diào)節(jié)至2A，而DC和USB輸入均可支持100mA、500mA、和USB掛起模式。充電電流可調(diào)節(jié)至高達(dá)1.5A，從而支持寬范圍的電池容性。MAX8677A的其他特性包括熱調(diào)節(jié)、過壓保護(hù)、充電狀態(tài)和故障輸出、電源好監(jiān)視、電池?zé)崦綦娮璞O(jiān)視、以及充電定時(shí)器。MAX8677A采用節(jié)省空間的、熱增強(qiáng)型、4mm×4mm、24引腳的TQFN封裝，規(guī)定工作于擴(kuò)展級(jí)溫度范圍(-40～+85℃)。
2.2Buck(降壓)開關(guān)方案
當(dāng)1.0C充電的電流大于1A，或者輸入電壓比電芯的全充滿開路電壓高很多時(shí)，Buck或者降壓方案就是一個(gè)更好的選擇。比如，在基于硬盤的PMP中，通常使用單芯鋰離子電池，全充滿開路電壓是4.2V，容量從1200到2400mAh不等。而現(xiàn)在PMP通常是用汽車套件來充電，它的輸出電壓在9V到16V之間。在輸入電壓和電池電壓之間比較高的電壓差(最小4.8V)會(huì)讓線性方案降低效率。這種低效率，加上大于1.2A的1C快速充電電流，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散熱問題。為避免這種情況，就要采用Buck方案。圖3為鋰離子/聚合物電池Buck充電器方案示意圖,基本結(jié)構(gòu)同Buck(降壓)開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器完全相同。
2.3SEPIC(升壓與降壓)開關(guān)方案
在某些使用3個(gè)甚至4個(gè)鋰離子／聚合物電芯串聯(lián)的設(shè)備中，充電器的輸入電壓就不總是大于電池電壓。比如，筆記本電腦使用3芯鋰離子電池組，滿充開路電壓是12．6V(4．2Vx3)，容量從1800mAh到3600mAh。輸入電源要么是輸出電壓16V的AC／DC適配器，要么是汽車套件，輸出電壓在9V到16V之間。很顯然地，線性和Buck方案都不能為這組電池組充電。這就要用上SEPIC方案，它能在輸出電壓高于電池電壓時(shí)工作，也能在輸出電壓低于電池時(shí)工作。
3、電量檢測(cè)算法
許多可攜式產(chǎn)品都利用電壓測(cè)量值來估計(jì)電池剩馀電量，但是電池電壓與剩馀電量的關(guān)系卻會(huì)隨著放電率、溫度和電池老化程度而改變，使這種方法的誤差率最高可達(dá)50％。市場(chǎng)對(duì)使用時(shí)間更長(zhǎng)的產(chǎn)品需求不斷增強(qiáng)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要更加精確的解決方案。使用電量檢測(cè)計(jì)吧來測(cè)量電池充人或消耗的電量，將能夠在很寬的應(yīng)用電源級(jí)別范圍內(nèi)提供更精確的電池電量估測(cè)。
3.1電量檢測(cè)算法應(yīng)用舉例之一,功能完整的單＼雙電池便攜式應(yīng)用電池組設(shè)計(jì)
*電量檢測(cè)原理.較好的電量檢測(cè)計(jì)至少要具備電池電壓、電池組溫度和電流、測(cè)量方法；一個(gè)微處理9a；和一套及業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的電量檢測(cè)算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的電量檢測(cè)計(jì)，具有一個(gè)測(cè)量電壓與溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個(gè)測(cè)量電流與充電感測(cè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這些電量檢測(cè)計(jì)還具有一個(gè)微處理器，負(fù)責(zé)執(zhí)行德州儀器的電量檢測(cè)算法。這些演算法會(huì)補(bǔ)償鋰離子電池的自放電、老化、溫度和放電率等因素。晶片內(nèi)含微處理器為主機(jī)系統(tǒng)處理器省下這些計(jì)算負(fù)擔(dān).電量檢測(cè)計(jì)能夠提供剩余電量狀態(tài)等信息，bq27x00系列產(chǎn)品還提供剩余可運(yùn)行時(shí)間(RunTimetoEmpty)主機(jī)可隨時(shí)向電量檢測(cè)計(jì)查詢這些信息，再透過LED指示燈或屏幕顯示將電池信息通知用戶。電量檢測(cè)計(jì)的使用非常方便，系統(tǒng)處理器僅需要配置12C或HDQ通信驅(qū)動(dòng)器即可。
*電池組電路描述.圖4(a)為可選用具有鑒定功能IC的典型的電池組應(yīng)用電路。根據(jù)所使用電量檢測(cè)計(jì)IC的不同，電池組至少需要有三到四個(gè)外部終端。VCC及BAT引腳會(huì)連到電池電壓，以便為，C供電及測(cè)量電池電壓。電池接地端連接了一個(gè)電阻值較小的檢測(cè)電阻器，讓電量檢測(cè)計(jì)的高阻抗SRP及SRN輸入端能夠監(jiān)控感測(cè)電阻兩端的電壓。通過流經(jīng)檢測(cè)電阻器的電流可用來判斷電池充入或釋放的電量。設(shè)計(jì)人員選擇檢測(cè)電阻值時(shí)必須考慮電阻兩端的電壓不能超過100mV，過低的電阻值可能會(huì)在電流較小時(shí)產(chǎn)生誤差。電路板布局必須確保從SRP及SRN到檢測(cè)電阻器的連接要盡可能靠近感測(cè)電阻端；換言之，它們應(yīng)該是采用Kelvin連線。
HDQ引腳需要外部上拉電阻器，該電阻應(yīng)位于主機(jī)或主應(yīng)用端，這樣電量檢測(cè)計(jì)才能在電池組與便攜式設(shè)備連接斷開時(shí)啟用睡眠功能。建議上拉電阻值選用10kΩ。
*電池組鑒定。價(jià)格低廉的偽冒電池的問題日益嚴(yán)重，這些電池可能不包含OEM廠商要求的安全保護(hù)電路。所以，真品電池組可包含圖4(a)所示的鑒定電路。當(dāng)要鑒定電池時(shí)，主機(jī)向含有IC(bq26150，作用是循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC))的電池組發(fā)出一個(gè)詢問值(challenge)，電池組所含的CRC會(huì)根據(jù)這個(gè)詢問值和，IC中內(nèi)建的CRC多項(xiàng)式計(jì)算這個(gè)CRC值。CRC是基于主機(jī)的查詢命令與IC中秘密定義的CRC多項(xiàng)式完成的，主機(jī)也會(huì)進(jìn)行CRC值計(jì)算井與電池組的計(jì)算結(jié)果比較以確定鑒定是否成功。一旦電池通過鑒定，bq26150則會(huì)發(fā)出指令以確保主機(jī)與電量檢測(cè)計(jì)之間的資料線路通訊正常。當(dāng)電池連接中斷或重新連接時(shí)，整個(gè)鑒定過程將重復(fù)一次。
3.2電量檢測(cè)算法應(yīng)用舉例之二,能適用于各種通用電量計(jì)的新型IC.
當(dāng)今不少制造廠商可提供種類豐富的電量計(jì)IC,，用戶可從中選取合適的功能器件，以優(yōu)化產(chǎn)品的性價(jià)比。利用電量計(jì)貯測(cè)量的電池參數(shù)，這種分離式架構(gòu)允許用戶在主機(jī)內(nèi)定制電量計(jì)量算法．從而省去電池組內(nèi)嵌處理器的成本。值此以Dallasesemicconductor公司名為例的DS2762芯片作典型分析.一新型分離式電量計(jì)IC,其結(jié)構(gòu)見圖5(a)所示.
*DS2762應(yīng)用特征
DS2762是一款單節(jié)鋰電池電量計(jì)與保護(hù)電路，集成于一片微小的2.46mm×2.74mm倒裝片封裝。由于內(nèi)部集成了用于電量檢測(cè)的高精密電阻，該款器件非常節(jié)省空間。它所具有的小尺寸和無可比擬的高集成度，對(duì)于移動(dòng)電話電池組及其它類似的手持產(chǎn)品，如PDA等，都非常理想。集成的保護(hù)電路連續(xù)地監(jiān)視電池的過壓、欠壓和過流故障(充電或放電期間)。不同于獨(dú)立的保護(hù)IC，DS2762允許主處理器監(jiān)視/控制保護(hù)FET的導(dǎo)通狀態(tài)，這樣，可以通過DS2762的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源控制。DS2762也可以充電一個(gè)已深度消耗的電池，當(dāng)電池電壓不足3V時(shí)，提供一條限制電流的恢復(fù)充電路徑。
DS2762能夠精確監(jiān)視電池電流、電壓和溫度，其動(dòng)態(tài)范圍與分辨率滿足任何通行的移動(dòng)通信產(chǎn)品的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)得的電流對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)基進(jìn)行積分，實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量。通過實(shí)時(shí)、連續(xù)的自動(dòng)失調(diào)糾正，電量計(jì)量的精度得以提高。內(nèi)置的檢測(cè)電阻消除了因制造工藝和溫度而造成的電阻變化，進(jìn)一步提高了電量計(jì)的精度。重要數(shù)據(jù)保存于32字節(jié)、可加鎖的EEPROM；16字節(jié)的SRAM用于保存動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。與DS2762的所有通信均通過1-Wire、多節(jié)點(diǎn)通信接口進(jìn)行，最大限度減少了電池組與主機(jī)的連線。其主要特征為；單節(jié)鋰電池保護(hù)器；高精度電流(電量計(jì)量)、電壓和溫度測(cè)量；可選的集成25mΩ檢測(cè)電阻，每個(gè)DS2762經(jīng)過單獨(dú)微調(diào)；0V電池恢復(fù)充電；32字節(jié)可加鎖EEPROM，16字節(jié)SRAM，64位ROM；
1-Wire，多節(jié)點(diǎn)，數(shù)字通信接口；支持多電池組電源管理，并通過保護(hù)FET實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源控制；休眠模式下電源電流僅2?A(最大);工作模式下電源電流為90?A(最大);2.46mm×2.74mm倒裝片封裝或16引腳下SSOP封裝，兩者均可選擇帶或不帶檢測(cè)電阻;復(fù)具有備有評(píng)估板.
4、結(jié)論
應(yīng)用好便攜式電子備的電池技術(shù)是選擇鋰離子電池和鋰聚合物電池及其充電器的基礎(chǔ).之于如何正確選擇,還必須視便攜式電子備的具體要求而定。
綠色革命可能不久就將迎來一場(chǎng)重大勝利。在大規(guī)模的電能成為“可儲(chǔ)存”和“便攜式”能源之時(shí)，能量效率將獲得顯著改善，而且可再生能源的推動(dòng)工作也將取得進(jìn)展。可儲(chǔ)存性和便攜性是液體燃料的主要優(yōu)勢(shì)，而通過電池系統(tǒng)提供的電力則擁有提供一種可行替代方案的潛力。電能可在幾乎所有的耗能設(shè)備中使用，而且，電能也可以從幾乎所有的可用能源來產(chǎn)生。核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芎鸵后w燃料(汽油、柴油、乙醇、氫等等)都能很容易地轉(zhuǎn)換成電能。因此，與石油燃料相比，電力的重大優(yōu)勢(shì)是可以利用最具成本效益的解決方案隨時(shí)隨地產(chǎn)生能量。
對(duì)電能的規(guī)范化可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，并免除局部燃料消耗所需的基礎(chǔ)設(shè)施。優(yōu)越的電能可儲(chǔ)存性便于發(fā)電(效率最高，且不是“按需”型的)，目前的情況大體如此。例如：風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電未必與峰值功率需求模式相吻合，而可儲(chǔ)存特性則能緩解這個(gè)問題有所緩解。優(yōu)越的便攜性允許電能作為汽車(耗能大戶)的能源。隨著時(shí)間的推移，其他傾向于使用綠色能源的應(yīng)用肯定將得益于此項(xiàng)技術(shù)。
電動(dòng)汽車對(duì)電池系統(tǒng)的要求
電動(dòng)汽車為綠色革命提供了一個(gè)巨大的發(fā)展機(jī)遇，原因有很多。電動(dòng)汽車采用電網(wǎng)電力取代了燃?xì)鈩?dòng)力。電網(wǎng)電力的生成效率很高，可以從幾乎所有的能源來獲得。此外，電動(dòng)汽車的能源使用效率也高于燃油汽車。大多數(shù)汽車在運(yùn)行時(shí)將經(jīng)歷一個(gè)“加速、減速和空轉(zhuǎn)”的連續(xù)周期。相比之下，易變的負(fù)載(比如加速或減速)更有利于電動(dòng)馬達(dá)(而非燃油引擎)，因?yàn)樗诘退贄l件下提供了高轉(zhuǎn)矩。燃油引擎的工作效率只在一個(gè)很窄的速度/負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到最高，而且為滿足峰值加速的需要，它必須是超大型的。用于把汽油能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的引擎效率通常為20%，而電動(dòng)馬達(dá)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過程中可以實(shí)現(xiàn)90%的典型效率。此外，電動(dòng)馬達(dá)還無須在停靠時(shí)因?yàn)榭辙D(zhuǎn)而無謂地消耗能量，而且電動(dòng)系統(tǒng)還具備通過再生制動(dòng)來恢復(fù)機(jī)械能的潛力。通過電動(dòng)汽車的典型能耗成本僅為0.013美元/英里這一事實(shí)，便能看出能量效率的整體改善情況。
遺憾的是，在現(xiàn)今的市場(chǎng)上，純電動(dòng)汽車還不是一種可行的解決方案，因?yàn)槠湫旭偩嚯x受限于車上所能儲(chǔ)存的能量。如今常見的電池組在充電8小時(shí)之后能夠讓一輛電動(dòng)汽車行駛100英里。而一個(gè)普通的汽車油箱則能為一輛標(biāo)準(zhǔn)汽車提供300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時(shí)間就能完成加油。如果想得到美國(guó)消費(fèi)者的廣泛接受，那么電動(dòng)汽車必須延長(zhǎng)行駛距離和/或縮短再充電時(shí)間。應(yīng)運(yùn)而生的解決方案是“油電混合動(dòng)力車”，它把燃油引擎和電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組合起來，以提供足夠的行駛距離，同時(shí)仍然擁有綠色能源的大多數(shù)好處。油電混合動(dòng)力車采用車載燃?xì)庖?用于電池充電)，并在需要時(shí)在最有效的速度/轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)操作該引擎。
毫無疑問，電動(dòng)汽車的成功將有助于其它應(yīng)用的高性能電池系統(tǒng)找到屬于自己的生存空間，從而推進(jìn)其價(jià)格的下降和性能的提升。對(duì)于局部發(fā)電(包括小型光伏或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng))，電池可以起到至關(guān)重要的平衡作用，且當(dāng)可以使用電網(wǎng)電力時(shí)，它還能充當(dāng)一個(gè)后備電源系統(tǒng)。目前的電池系統(tǒng)相當(dāng)昂貴而且龐大，且存在可靠性和安全方面的問題。下一代電池系統(tǒng)將提供較高的能量密度，旨在實(shí)現(xiàn)外形較小、價(jià)格較低、可靠性和安全性更高的解決方案。
高電壓電池組的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
對(duì)于大功率電池應(yīng)用而言，鋰離電池可作為首選的化學(xué)電池，主要因?yàn)樗哪芰棵芏雀?。?dāng)今的電動(dòng)汽車和油電混合動(dòng)力車采用的是NiMH電池，如果采用鋰離子電池將使其能量?jī)?chǔ)存密度提高400%。然而，為了使鋰離子電池在多達(dá)數(shù)千次的充放電循環(huán)過程中保持可靠，電池系統(tǒng)必須解決諸多技術(shù)難題。
鋰離子電池的性能取決于電池溫度和使用期限、電池充電和放電速率以及充電狀態(tài)(SOC)。這些因素并不是獨(dú)立的。例如：鋰離子電池在放電時(shí)將產(chǎn)生熱量，從而增加放電電流。這有可能形成熱失控狀態(tài)，并導(dǎo)致災(zāi)難性故障的發(fā)生。此外，把鋰離子電池充電至100%SOC或放電至0%SOC將迅速降低其容量。因此，必須將鋰離子電池的操作限制在某個(gè)SOC范圍內(nèi)，比如20%至80%，此時(shí)的可用容量?jī)H為規(guī)定容量的60%。不僅如此，鋰離子電池還具有平坦的放電曲線(圖1)，其中1%的SOC變化可能僅表現(xiàn)為數(shù)毫伏的電壓差異。為充分利用電池的可用電壓范圍，電池系統(tǒng)必須非常準(zhǔn)確地監(jiān)視電池電壓(它直接對(duì)應(yīng)于SOC)。
除了鋰離子電池的敏感特性之外，把電池組合在一起的方法也是一個(gè)重要的考慮因素。如欲從一個(gè)電氣系統(tǒng)(比如用于給車輛加速所需的電氣系統(tǒng))來提供有效的功率，則需高達(dá)數(shù)百伏的電壓。舉例來說，在1V電壓條件下輸送1kW功率需要1,000A電流，而在100V電壓條件下輸送1kW功率則僅需10A電流。系統(tǒng)布線和互連線中的固有電阻將轉(zhuǎn)換成IR損耗，因此設(shè)計(jì)師需采用切實(shí)可行的最高電壓/最低電流。
