《電子技術(shù)應(yīng)用》
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雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的快速智能充電設(shè)計(jì)

2019-07-07
關(guān)鍵詞: 鋰電池 SMBus

  目前,快速充電方案被廣泛應(yīng)用在手機(jī)市場中。主流方案有基于處理器廠家高通平臺的QC2.0/3.0,和即將應(yīng)用的4.0標(biāo)準(zhǔn),MTK的Pump Express標(biāo)準(zhǔn),國產(chǎn)手機(jī)廠商的閃充。QC快充方案使用了高壓輸入的提高功率,可以在提高輸入功率的同時(shí)使用低電流的線纜。

  閃充技術(shù)需要定制大電流的線纜配合,共同點(diǎn)都是應(yīng)用在單節(jié)鋰電池的產(chǎn)品上并不能應(yīng)用在雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的快速充電場合。雙節(jié)串聯(lián)的鋰電池的典型滿充電壓達(dá)到8.4-8.8V,應(yīng)用在對講機(jī)、 POS機(jī)等終端產(chǎn)品上。 TI針對多節(jié)電池的充電方案產(chǎn)品十分豐富,BQ24725A就是一款支持大電流的支持SMBus通信的充電控制器。BQ24725A輸出電壓支持到最高19.2V,充電電流最大支持到8A以上,輸出電壓精度控制達(dá)到0.5%。

  使用類似BQ4725A這類集成的充電管理芯片方案對鋰電池充電其實(shí)十分簡單。鋰電池直接連接到充電控制芯片BQ24725A的BAT管腳上,配置充電控制芯片的Charge Voltge,Charge Current,以及保護(hù)功能的Input Current Limit,使能充電功能即可。Charge Voltage(VCHG)是電芯的最大滿充電壓,Charge Current (ICHG) 是電芯允許的最大充電電流。典型的鋰電池充電特性如下圖所示,分為CC(Constant current)和CV(Constant Voltage) 兩個(gè)階段。CC階段恒定以最大充電電流持續(xù)對電池進(jìn)行充電,此時(shí)單位時(shí)間充入電池的電量是恒定的Q=ICHG*T。隨著電池充入電量越來越多,電池電壓會上升,當(dāng)電壓上升到最大滿充電壓時(shí)候,充電芯片將控制輸出電壓為恒定的最大滿充電壓,此時(shí)電流開始逐漸減小,充入電量的增加速度慢慢減慢,總充入電量仍然在增加。直到電流減小到截止電流點(diǎn),充電芯片停止充電,鋰電池達(dá)到充滿狀態(tài)。

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  基于這個(gè)管理過程,使用充電芯片BQ24725A對一塊對講機(jī)電池(滿充電壓8.8V)進(jìn)行充電,并記錄下充電過程中的VCHG, ICHG和VCELL(電芯側(cè)的電壓)。下圖所示為基于橫坐標(biāo)的充電時(shí)間(分鐘)對應(yīng)的各個(gè)參數(shù)的變化趨勢,可以看到在不到第五分鐘,VCHG就達(dá)到最大值,ICHG就從峰值的4A電流開始下降,經(jīng)歷了從CC區(qū)間到CV區(qū)間的切換。最大充電速率的CC階段4A充電持續(xù)時(shí)間很短,可以預(yù)料,如果要對這塊電池完全充滿,CV區(qū)間將耗費(fèi)很長的時(shí)間。

  通過對充電曲線的分析會發(fā)現(xiàn),充電管理芯片的輸出電壓VCHG和電芯的電壓VCELL之間存在壓差,導(dǎo)致VCHG達(dá)到最大電壓8.8V時(shí)候,VCELL還沒有達(dá)到8.0V,這部分的壓差可能是充電端到電芯端的阻抗導(dǎo)致的,比如充電器PCB,電池保護(hù)板阻抗。另外在對講機(jī)行業(yè)普遍使用可插拔的電池,電池分離充電時(shí)候,觸點(diǎn)和充電座彈片的接觸情況也會導(dǎo)致阻抗不確定性。

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  通過引入電量計(jì)芯片配合充電芯片的控制,可以彌補(bǔ)VCHG到VCELL的電壓差。電量計(jì)芯片除了提供電量功能,還采集了電池的電芯電壓參數(shù),通過實(shí)時(shí)訪問電量計(jì)芯片中的電芯電壓VCELL采樣結(jié)果,根據(jù)VCELL電壓是否達(dá)到最大滿充電壓來決定是否提高充電芯片的VCHG,維持電池的CC充電狀態(tài)。直到VCELL達(dá)到最大滿充電壓8.8V進(jìn)入CV區(qū)間,停止提高VCHG,并根據(jù)VCELL的繼續(xù)升高趨勢而調(diào)低VCHG,維持VCELL在8.8V的最大電壓,保護(hù)電池。通過讀取VCELL電壓配合變化的VCHG可以達(dá)到快速智能的充電管理過程。

  配合電量計(jì)芯片BQ28Z610,在BQ24725A的評估版上對雙節(jié)8.8V的對講機(jī)電池的第二次充電測試,記錄曲線如下圖所示,CC階段4A持續(xù)充電時(shí)間達(dá)到41分鐘,遠(yuǎn)遠(yuǎn)長過前一次測試的普通的充電方案。

  基于兩種充電方案的測試結(jié)果對比,利用BQ28z610的電量計(jì)芯片和雙節(jié)電池的充電控制芯片BQ24725A實(shí)現(xiàn)了對雙節(jié)鋰電池的快速智能充電。BQ28z610還可以提供電芯的實(shí)時(shí)電壓,溫度,電流等參數(shù)給管理充電控制的MCU, MCU根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)來調(diào)整BQ24725A的充電電壓,電流,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安全的閉環(huán)調(diào)整,既能保證電芯的安全充電,又可以最大程度的延長恒流充電的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)快速充電。


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