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锂离子电池的充电算法详解!

锂离子电池充电和系统控制架构是最大化电池容量和最小化电池充电时间的重要部分。在本文中,我们首先讨论锂离子电池的充电算法,电池充电电压,电池容量和电池寿命之间的权衡。我们还将讨论电池充电系统与充电器的相互作用,例如电池充电故障定时器的结束,并描述动态电源路径管理(DPPM)技术。DPPM电池充电器为系统和充电器提供独立的电源路径,允许充分利用适配器的电源,同时最大限度地缩短电池充电时间。它还可以在为系统供电时防止系统崩溃并为放电的电池充电。

问:电池充电速度越快,电池寿命越短?

这是因为当充电速率为1C或更高时,额外的锂离子从阳极变为金属锂。由于金属锂是活性材料,它容易与电解质溶液反应,并且锂永久地损失。因此,电池充电率小于1C。

 

电池充电器和系统互动的原理

电池充电输出也为系统供电,因此架构简单,成本低。但是,当系统负载连接到电池时,会出现许多问题,例如电池充电时间延迟,充电终止,故障安全定时器警告等。

在这种配置中,充电器的输出电流I CHG在系统和充电器之间共享,而不仅仅是电池。I CHG是可由充电器控制的电流,充电器根据此电流确定是否充电。因此,充电器不能直接监视和控制有效电池充电电流I BAT。

在预充电阶段,当电池单元电压低于3.0V时,预充电电流通常是快速充电电流的10%。系统负载I SYS截取一些电流,有效充电电流变小。这不仅增加了电池的充电时间,而且如果在预充电定时器时段内电池电压没有升至3V,则还可能导致预充电定时器错误结束。这可能导致错误预充电安全定时器警告,不是因为电池故障,而是因为预充电电流不足。系统电流可能大于预充电电流,因此电池不会充电而是放电。为解决此问题,系统必须处于关断模式或低静态电流待机模式,以便在预充电安全定时器周期内将预充电电流充电至3.0V以上。类似地,一旦电池进入快速充电阶段,系统负载连续地中断来自充电输出的一些充电电流,增加电池的充电时间并终止高安全时间误差。

锂电池

关于动态电源路径管理(DPPM)电池充电器问题

要缩短电池充电时间并解决系统与电池充电器之间的交互,您应该只将电池充电器输出分配给电池充电。图5是简化的电源路径管理电池充电器框图。为了预调整系统总线电压V OUT,采用MOSFET Q1或用作开关。这建立了从输入到系统的直接路径。MOSFET Q2完全用于控制电池充电器。电池和系统之间没有进一步的干扰。该电源架构建立了两条独立的路径,称为电源路径管理(PPM),用于系统电源和电池充电。专用电池充电路径可以最大限度地缩短电池充电时间并完全消除故障安全定时器终止。例如,无论电池是打开还是关闭,MOSFET Q1都会将系统总线电压调整为4.4V等设置,从而允许系统在为完全放电的电池充电时运行。智能手机,PDA和MP3播放器等应用必须能够从输入源(无论是否使用电池)操作设备,这需要电源路径管理。

动态电源路径管理(DPPM)监视系统总线电压V OUT,以确定由于电流限制或输入电源消除而导致的输入功率损耗。当用于系统和电池充电器所需要的电流比AC适配器或USB的可用的输入电流时,连接到系统总线C 0的电容器将开始放电和下降,系统总线电压。当系统总线电压降至预设的DPPM阈值时,电池充电控制系统通过降低电池充电电流来调节系统总线电压。这是为了通过将系统和电池充电器所需的总电流与适配器的最大可用电流相匹配来防止总线电压下降。当系统获得所需电流并且电池充有剩余电流时,DPPM控制器达到正常状态。这最大化了适配器的可用功耗,并最大限度地缩短了电池充电时间。大多数系统负载都是非常动态的,具有高脉动电流。该系统的平均功率将是过度的设计如果根据电源的最大峰值功率适配器的设计比最大额定峰值功率系统和电池充电器少得多。DPPM控制技术允许用户使用更便宜且额定功率更低的AC适配器为系统供电,同时为电池充电。

如果系统和电池充电器中的总电流超过AC适配器电流限制或USB电流限制,则连接到系统总线的电容器C 0将开始放电,系统总线电压将开始下降。当系统总线电压降至DPPM引脚设置的标称阈值时,充电电流会降低以维持系统总线电压,以防止因AC适配器过载而导致系统崩溃。如果即使充电电流降至0A也不能保持系统总线电压,电池将暂时开始放电并为系统供电以避免系统崩溃。

DPPM电压阈值通常设计为小于OUT引脚上的指定电压,以安全地操作系统。为了正确充电,需要在OUT引脚的系统电压和DPPM阈值之间存在足够的电压差。为了最小化尺寸,必须将功率MOSFET集成到电池充电器中。热控制回路用于降低充电电流,以防止硅温度达到125°C或更高。每次充电电流因有效热调节或有效DPPM而降低时,安全定时器会自动调整以增加定时器的值,以防止故障安全定时器意外终止。此外,当DPPM或热调节环路有效时,抑制充电终止功能以防止错误充电终止。

结论

增加高于1C的充电电流不是缩短电池充电时间的有效方法,而是缩短电池寿命。当系统直接连接到电池时,电池的充电时间通常较长,因为系统截取来自电池充电器输出的一部分充电电流,并且有效电池充电电流降低。DPPM通过允许电池充电器输出专门用于电池充电来减少电池充电时间,并提供从输入电源到系统和电池的单独电源路径,从而消除充电器和系统之间的相互作用。此外,系统可以在对完全放电或有缺陷的电池充电的同时进行操作。

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