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鋰離子電池的充電算法詳解!

鋰離子電池充電和系統控制架構是最大化電池容量和最小化電池充電時間的重要部分。在本文中,我們首先討論鋰離子電池的充電算法,電池充電電壓,電池容量和電池壽命之間的權衡。我們還將討論電池充電系統與充電器的相互作用,例如電池充電故障定時器的結束,并描述動態電源路徑管理(DPPM)技術。DPPM電池充電器為系統和充電器提供獨立的電源路徑,允許充分利用適配器的電源,同時最大限度地縮短電池充電時間。它還可以在為系統供電時防止系統崩潰并為放電的電池充電。

問:電池充電速度越快,電池壽命越短?

這是因為當充電速率為1C或更高時,額外的鋰離子從陽極變為金屬鋰。由于金屬鋰是活性材料,它容易與電解質溶液反應,并且鋰永久地損失。因此,電池充電率小于1C。

 

電池充電器和系統互動的原理

電池充電輸出也為系統供電,因此架構簡單,成本低。但是,當系統負載連接到電池時,會出現許多問題,例如電池充電時間延遲,充電終止,故障安全定時器警告等。

在這種配置中,充電器的輸出電流I CHG在系統和充電器之間共享,而不僅僅是電池。I CHG是可由充電器控制的電流,充電器根據此電流確定是否充電。因此,充電器不能直接監視和控制有效電池充電電流I BAT。

在預充電階段,當電池單元電壓低于3.0V時,預充電電流通常是快速充電電流的10%。系統負載I SYS截取一些電流,有效充電電流變小。這不僅增加了電池的充電時間,而且如果在預充電定時器時段內電池電壓沒有升至3V,則還可能導致預充電定時器錯誤結束。這可能導致錯誤預充電安全定時器警告,不是因為電池故障,而是因為預充電電流不足。系統電流可能大于預充電電流,因此電池不會充電而是放電。為解決此問題,系統必須處于關斷模式或低靜態電流待機模式,以便在預充電安全定時器周期內將預充電電流充電至3.0V以上。類似地,一旦電池進入快速充電階段,系統負載連續地中斷來自充電輸出的一些充電電流,增加電池的充電時間并終止高安全時間誤差。

鋰電池

關于動態電源路徑管理(DPPM)電池充電器問題

要縮短電池充電時間并解決系統與電池充電器之間的交互,您應該只將電池充電器輸出分配給電池充電。圖5是簡化的電源路徑管理電池充電器框圖。為了預調整系統總線電壓V OUT,采用MOSFET Q1或用作開關。這建立了從輸入到系統的直接路徑。MOSFET Q2完全用于控制電池充電器。電池和系統之間沒有進一步的干擾。該電源架構建立了兩條獨立的路徑,稱為電源路徑管理(PPM),用于系統電源和電池充電。專用電池充電路徑可以最大限度地縮短電池充電時間并完全消除故障安全定時器終止。例如,無論電池是打開還是關閉,MOSFET Q1都會將系統總線電壓調整為4.4V等設置,從而允許系統在為完全放電的電池充電時運行。智能手機,PDA和MP3播放器等應用必須能夠從輸入源(無論是否使用電池)操作設備,這需要電源路徑管理。

動態電源路徑管理(DPPM)監視系統總線電壓V OUT,以確定由于電流限制或輸入電源消除而導致的輸入功率損耗。當用于系統和電池充電器所需要的電流比AC適配器或USB的可用的輸入電流時,連接到系統總線C 0的電容器將開始放電和下降,系統總線電壓。當系統總線電壓降至預設的DPPM閾值時,電池充電控制系統通過降低電池充電電流來調節系統總線電壓。這是為了通過將系統和電池充電器所需的總電流與適配器的最大可用電流相匹配來防止總線電壓下降。當系統獲得所需電流并且電池充有剩余電流時,DPPM控制器達到正常狀態。這最大化了適配器的可用功耗,并最大限度地縮短了電池充電時間。大多數系統負載都是非常動態的,具有高脈動電流。該系統的平均功率將是過度的設計如果根據電源的最大峰值功率適配器的設計比最大額定峰值功率系統和電池充電器少得多。DPPM控制技術允許用戶使用更便宜且額定功率更低的AC適配器為系統供電,同時為電池充電。

如果系統和電池充電器中的總電流超過AC適配器電流限制或USB電流限制,則連接到系統總線的電容器C 0將開始放電,系統總線電壓將開始下降。當系統總線電壓降至DPPM引腳設置的標稱閾值時,充電電流會降低以維持系統總線電壓,以防止因AC適配器過載而導致系統崩潰。如果即使充電電流降至0A也不能保持系統總線電壓,電池將暫時開始放電并為系統供電以避免系統崩潰。

DPPM電壓閾值通常設計為小于OUT引腳上的指定電壓,以安全地操作系統。為了正確充電,需要在OUT引腳的系統電壓和DPPM閾值之間存在足夠的電壓差。為了最小化尺寸,必須將功率MOSFET集成到電池充電器中。熱控制回路用于降低充電電流,以防止硅溫度達到125°C或更高。每次充電電流因有效熱調節或有效DPPM而降低時,安全定時器會自動調整以增加定時器的值,以防止故障安全定時器意外終止。此外,當DPPM或熱調節環路有效時,抑制充電終止功能以防止錯誤充電終止。

結論

增加高于1C的充電電流不是縮短電池充電時間的有效方法,而是縮短電池壽命。當系統直接連接到電池時,電池的充電時間通常較長,因為系統截取來自電池充電器輸出的一部分充電電流,并且有效電池充電電流降低。DPPM通過允許電池充電器輸出專門用于電池充電來減少電池充電時間,并提供從輸入電源到系統和電池的單獨電源路徑,從而消除充電器和系統之間的相互作用。此外,系統可以在對完全放電或有缺陷的電池充電的同時進行操作。

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