简化Li+电池充电器测试

2009年05月12日 21:05    贾延安
关键词: 电池充电器
锂离子(Li+)电池比其它化学类型的电池更脆弱,对于违规操作具有非常小的容限。因此,锂电池充电电路比较复杂,要求高精度电流电压设置。如果无法满足这些精度要求,充电器可能无法将电池完全充满,进而降低电池寿命,或影响电池性能。
  鉴于对Li+电池充电器的这些要求,对充电器设计进行完全测试并在整个工作范围内进行分段测试非常重要。然而,采用常规负载(即Li+电池)测试Li+电池充电器将非常耗时,而且在实验室和生产环境中也难于实现。为了简化测试过程,本文给出了一个电池仿真电路,可加快测试速度,在不带实际电池的情况下实现对锂离子电池充电器的测试。
CC-CV充电
  锂离子电池充电过程的第一阶段需要中等精度的恒流(CC)充电,然后在第二阶段过渡到高精度恒压(CV)充电。
  图1为用于锂离子电池充电器的CC-CV集成电路(MAX1737)的V-I特性曲线。这种类型的IC是消费类产品中所有锂离子电池充电器的核心。图中可清楚

  看出CC (2.6V至4.2V电池电压)和CV (4.2V)区域。


图1. MAX1737的V-I曲线是Li+电池充电器的标准特性曲线

  电池低于2.6V时,需要采用不同的充电技术。如果试图对放电至2.6V以下的电池充电,充电器须提供一个较低的充电电流(“调理电流”),将电池电压充至2.6V。这是锂离子电池过放电时所必须采取的安全机制。VBATT<2.6V时强行进行快速充电,会使电池进入不可恢复的短路状态。
  CC向CV阶段的过渡点的临界容差为±40mV。之所以要求如此严格的容差,是因为如果CV过低,电池将无法完全充满;而CV过高,则会缩短电池的使用寿命。充电过程终止意味着检测到电池达到满电量,充电器必须断开或关闭。在CV阶段,当检测到充电电流降至快充电流或最大充电电流的一定比例(通常< 10%)时终止充电。
Li+电池充电器参数测试
  Li+电池充电器设计通常包括两个基本部分:数字部分(控制状态机)和模拟部分,模拟部分包括带有高精度(>1%)基准、可精确控制的电流/电压源。对锂离子充电器(不仅指IC)进行完全测试是一项非常棘手且耗费时间的工作,不仅仅限于对电流或电压值进行检验。
  测试时,应该在整个工作范围对充电器进行分段检测:包括CC阶段、从CC到CV的切换、充电终止等。如上所述,测试的理想情况是采用常规充电器的负载:即Li+电池。然而,由于充电过程需要一小时甚至更长时间,使用锂电池进行测试非常耗时。根据具体测试条件的不同:例如大容量电池+慢速充电,小容量电池+快速充电以及其它可能组合,测试时间也不尽相同。
  此外,充电过程无法在保证不损坏电池的前提下提高充电电流,因为充电电流受电池最大充电速率(即快速充电电流)的制约。对于消费类产品常用的电池,很少规定电流大于1C(在1小时内将电池完全放电的电流)。因此,大多数情况下完成整个充电周期所需要的时间往往超过两小时。如果需要重复测试,则需要将电池完全放电 —这一过程仅仅比充电稍微短一些。或者,必须能够随时备有完全放电的电池。
  另外可以使用一个模拟的理想负载替代真实电池进行负载测试。仿真时,应验证电路的直流响应和动态稳定性。然而,使用功率测试所用的标准负载进行电池仿真非常困难。与大多数电源测试使用的负载不同,电池不能简单地当作电阻或固定地吸入电流。如上所述,必须在整个工作范围内进行分段测试。以下介绍的Li+充电器测试电路完全满足这些要求。
选择电池模型负载
  我们先讨论两个必须考虑但最终放弃的建模方法。电池负载建模的方法之一是:使用一个具有源出(放电)和吸入(充电)电流能力的电压源与代表电池内阻的电阻串联。由于Li+电池要求精确控制终止电压和充电电流,目前所有Li+充电器实际上是稳压电源转换器。
  此外,由于稳压电源变换器(充电器)的稳定性取决于负载(电池)的动态特性,因此必须选择一个与模型非常相似的负载。否则,测试只能验证充电器本身的V-I特性。
  如果只是进行一次性测试,可以使用并联型稳压器与电阻串联,这足以模拟电池的内阻,并且,这一简单的电池模型完全可以满足测试要求。这种方法的优势是由充电器本身供电。然而,更严格的测试需要更精确的模型。该模型采用内部电压源,电压值是充电过程中供给电池的总电荷的函数。
  用恒流源对电池充电时电压将不断变化,以一定的正斜率上升。这是由于放电和其它电池内部化学变化过程中,电池正极周围累积的极化离子逐渐减少。因此,充电器的工作点取决于电池连接时间的长短,以及电池的工作历史。用大多数电子实验室能够找到的通用器件构建负载,以模拟这一复杂负载的模型很困难。
  需要经常对充电电路进行测试,或必须详细描述电路特性时,准确模拟充电过程的电池非常有用。模拟过程需要连续扫描充电器的所有直流工作点。模拟电路还要显示结果,使操作人员可以查找问题、故障和干扰。如果模拟电路能够提供电池电压输出和信号,这些结果可以直接作为示波器信号。测试速度可以加快(从几小时到数十秒),并可根据需要进行多次反复,比用真正的电池测试更方便。然而,测试速度加快后对确定充电电源的热效应不利。因此,可能需要额外的长时间测试,以便与充电电源和调节电路的热时间常数相吻合。
建立电池模型负载
  图2电路模拟的是单节锂离子电池。充电器CC阶段的终止充电电压和快速充电电流由充电器设置决定。仿真器初始化时,可设置完全放电条件下内部电池电压为3V,但该电压可以提升到4.3V,以测试过充电情况。3V初始值通常用于低电池电压关断电路(用来终止锂离子电池放电过程)。这种设计专门针对终止充电压为4.2V的标准CC-CV锂离子电池充电器。该设计调整起来很容易,能够适应非标准终止电压和完全放电电压的测试。测试时充电器用高达3A的充电电流驱动仿真电路,受功率晶体管功耗的限制。图2电路模拟了电池电压增加的情况,电池电压是从仿真电路设置为完全放电状态开始,电路充电电流的函数。
  根据图中给出的参数值,充电电流为1A时,积分时间常数使模拟电路在6至7秒内达到充电器的4.2V限制。对电流范围、内阻、充电终止电压和完全放电电压的模拟是在锂离子电池(本例中指Sony US18650G3)典型参数的基础上完成的。所仿真的电池电压没有考虑环境温度的影响。

图2  单节Li+电池充电情况的仿真电路,该电路可以在不使用实际电池的情况下测试Li+电池充电器

  并联稳压器设计采用MAX8515并联稳压器和一对双极型功率晶体管(选择该稳压器时考虑了其内部基准电压的精度),大电流TIP35晶体管安装在能够耗散25W热量的散热器上。
  MAX4163双运放的其中一个放大器用来对充电电流积分,另一个放大器对电流测量信号进行放大和偏置。该运算放大器具有较高的电源抑制比,并可支持满摆幅输入/输出范围,简化了两种功能电路的设计。注意,与电池仿真器正端串联的0.100Ω电流检测电阻同时也作为电池内阻。
  在具有自动测试-数据采集功能的系统内工作时,可用外部信号将仿真电池复位到完全放电状态。另外,手动操作测试设置时,可用按键复位。
  利用单刀单掷开关可以选择仿真电池的两种工作模式。掷向A端时,实现积分充电仿真器,如上所述。掷向B端时,仿真器将设定在某一固定的直流工作点对充电器进行现场测试时的输出电压和吸电流。为实现这一功能,“设置”电压可通过改变50kΩ可变电阻,在2.75V至5.75V之间手动调整。这些设置电压值与内部吸入电流有关。仿真器端实测电压(VBATT)等于设定电压加上吸电流流经仿真电池内阻(0.100Ω电阻)产生的压降。仿真电路工作时的电源取自电池充电器输出。
仿真电路的性能
  图3为模拟锂离子电池充电至4.2V时获得的典型V-I波形。从图中可以看出两个测试过程:一个是以1A初始快充电流充电(曲线B和D),另一个是以2A快充电流充电(曲线A和C)。这两种情况下,首先进入CC阶段充电,直到电池电压达到终止电压4.2V。在此之后,电流呈指数衰减,而仿真电池的电压保持不变。充电电流为2A时到达终止电压所需的时间更短,与预期设计相同。然而,请注意,电流加倍不会使充电时间减半,只会使到达CV模式的时间减半,与真实电池负载的测试情况一样。
  图4为两个不同设置电压:3V和4.1V时的吸电流V-I曲线。两个曲线的动态电阻(用斜率表示)仅仅是由0.100Ω电阻模拟的电池内阻。

图3  根据图2电池仿真电路绘制出的图形,快速充电波形表明两种条件下电池充电器的工作情况,分别是:CC阶段提供1A (曲线B和D)和2A (曲线A和C)充电电流


图4  图2电路在电压为4.1V (上部曲线)和3V (下部曲线)时的吸入电流,两种情况下斜率均代表0.1Ω内阻

结语
  由于锂离子电池充电过程需要一小时或更长时间,利用实际负载测试锂电池充电器将非常耗时,而且往往不切实际。为了加快电池充电器测试,本文介绍了一个简单电路,用来模拟锂离子电池。该电路提供了一个不使用实际电池对锂电池充电器进行测试的有效手段。
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