鉅大LARGE | 點擊量：836次 | 2019年05月11日
為什么說正確選擇與應用好便攜式電子備中電池技術至關重要？
前言
如今的便攜式電子備中電池技術包括電量檢測算法、電池充電算法與電池充電技術等幾個方面。眾所周知,充電式電池化學反應有鎳鎘、鎳氫、鋰離子和鋰聚合物4種程式,作為便攜式電子設備來說,雖然這4種電池程式各有特點,但從能量密度與安全性角度的發展與實踐可知,鋰離子電池和鋰聚合物電池的優勢己成為小型長運行時間的設備的理想之選，比如筆記本電腦以及基于硬盤的PMP等.對便攜式電子備工程師來說，正確選擇與應用好便攜式電子備中電池技術至關重要,值此本文將對此作研討,并作應用舉例分析.
1、關于細流充電、快速充電和穩定充電的電池充電算法
根據最終應用的能量需求，一個電池組可能包含最多4個鋰離子或鋰聚合物電池芯,其配置可有多種變化，同時帶有一個主流的電源適配器：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個階段：細流充電、快速充電和穩定充電。
*細流充電.用于對深度放電的電芯進行充電。當電芯電壓在低于大約2.8V時，用一個恒定的0.1C的電流為它充電。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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.電芯電壓超過細流充電的門檻時，提高充電電流進行快速充電。快速充電電流應低于1.0C。
*穩定電壓。在快速充電過程中，一旦電芯電壓達到4.2V，穩定電壓階段就開始了。這時可通過最小充電電流或定時器或這兩者的聯合來中斷充電.當最小電流低于大約0.07C時，可中斷充電。定時器則要靠一個預設的定時器來觸發中斷。
高級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℃，充電就會暫停。除去某些非常低端的設備，現在市面上的鋰離子／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行充電，這不光是為了取得更佳充電效果，同時也是為了安全。
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于不同數量的電芯、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)開關和SEPIC(升壓與降壓)開關。
2.1線性方案
當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，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。比如，MP3播放器通常只有一個電芯，容量從700到1500mAh不等，滿充開路電壓是4.2V。MP3播放機的電源通常是AC／DC適配器或者是USB接口，其輸出是規則的5V；這時，線性方案的充電器就是最簡單、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,基本結構和線性電壓規整器一樣。
*線性方案的充電器應用例舉-雙輸入Li+充電器及智能電源選擇器MAX8677A。MAX8677A是雙輸入USB/AC適配器線性充電器，內置SmartPowerSelector，用于由可充電單節Li+電池供電的便攜式設備。該充電器集成了電池和外部電源充電和切換負載所需的全部功率開關，因此無需外部MOSFET。MAX8677A理想用于便攜式設備，例如智能手機、PDA、便攜式多媒體播放器、GPS導航設備、數碼相機、以及數碼攝像機。
MAX8677A可以工作于獨立的USB和AC適配器電源輸入下或兩個輸入中的任意一個輸入下。當連接外部電源時，智能電源選擇器允許系統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將電池切換到系統負載，使用系統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電路，包括集成的功率開關，均集成于片上。DC輸入電流限最高可調節至2A，而DC和USB輸入均可支持100mA、500mA、和USB掛起模式。充電電流可調節至高達1.5A，從而支持寬范圍的電池容性。MAX8677A的其他特性包括熱調節、過壓保護、充電狀態和故障輸出、電源好監視、電池熱敏電阻監視、以及充電定時器。MAX8677A采用節省空間的、熱增強型、4mm×4mm、24引腳的TQFN封裝，規定工作于擴展級溫度范圍(-40～+85℃)。
2.2Buck(降壓)開關方案
當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，Buck或者降壓方案就是一個更好的選擇。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，會產生嚴重的散熱問題。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,基本結構同Buck(降壓)開關電壓調節器完全相同。
2.3SEPIC(升壓與降壓)開關方案
在某些使用3個甚至4個鋰離子／聚合物電芯串聯的設備中，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工作，也能在輸出電壓低于電池時工作。
3、電量檢測算法
許多可攜式產品都利用電壓測量值來估計電池剩馀電量，但是電池電壓與剩馀電量的關系卻會隨著放電率、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50％。市場對使用時間更長的產品需求不斷增強，因此系統設計人員需要更加精確的解決方案。使用電量檢測計吧來測量電池充人或消耗的電量，將能夠在很寬的應用電源級別范圍內提供更精確的電池電量估測。
3.1電量檢測算法應用舉例之一,功能完整的單＼雙電池便攜式應用電池組設計
*電量檢測原理.較好的電量檢測計至少要具備電池電壓、電池組溫度和電流、測量方法；一個微處理9a；和一套及業經驗證的電量檢測算法。bq2650x及bq27x00是功能完整的電量檢測計，具有一個測量電壓與溫度的模數轉換器(ADC)和一個測量電流與充電感測的模數轉換器。這些電量檢測計還具有一個微處理器，負責執行德州儀器的電量檢測算法。這些演算法會補償鋰離子電池的自放電、老化、溫度和放電率等因素。晶片內含微處理器為主機系統處理器省下這些計算負擔.電量檢測計能夠提供剩余電量狀態等信息，bq27x00系列產品還提供剩余可運行時間(RunTimetoEmpty)主機可隨時向電量檢測計查詢這些信息，再透過LED指示燈或屏幕顯示將電池信息通知用戶。電量檢測計的使用非常方便，系統處理器僅需要配置12C或HDQ通信驅動器即可。
*電池組電路描述.圖4(a)為可選用具有鑒定功能IC的典型的電池組應用電路。根據所使用電量檢測計IC的不同，電池組至少需要有三到四個外部終端。VCC及BAT引腳會連到電池電壓，以便為，C供電及測量電池電壓。電池接地端連接了一個電阻值較小的檢測電阻器，讓電量檢測計的高阻抗SRP及SRN輸入端能夠監控感測電阻兩端的電壓。通過流經檢測電阻器的電流可用來判斷電池充入或釋放的電量。設計人員選擇檢測電阻值時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在電流較小時產生誤差。電路板布局必須確保從SRP及SRN到檢測電阻器的連接要盡可能靠近感測電阻端；換言之，它們應該是采用Kelvin連線。
HDQ引腳需要外部上拉電阻器，該電阻應位于主機或主應用端，這樣電量檢測計才能在電池組與便攜式設備連接斷開時啟用睡眠功能。建議上拉電阻值選用10kΩ。
*電池組鑒定。價格低廉的偽冒電池的問題日益嚴重，這些電池可能不包含OEM廠商要求的安全保護電路。所以，真品電池組可包含圖4(a)所示的鑒定電路。當要鑒定電池時，主機向含有IC(bq26150，作用是循環冗余校驗(CRC))的電池組發出一個詢問值(challenge)，電池組所含的CRC會根據這個詢問值和，IC中內建的CRC多項式計算這個CRC值。CRC是基于主機的查詢命令與IC中秘密定義的CRC多項式完成的，主機也會進行CRC值計算井與電池組的計算結果比較以確定鑒定是否成功。一旦電池通過鑒定，bq26150則會發出指令以確保主機與電量檢測計之間的資料線路通訊正常。當電池連接中斷或重新連接時，整個鑒定過程將重復一次。
3.2電量檢測算法應用舉例之二,能適用于各種通用電量計的新型IC.
當今不少制造廠商可提供種類豐富的電量計IC,，用戶可從中選取合適的功能器件，以優化產品的性價比。利用電量計貯測量的電池參數，這種分離式架構允許用戶在主機內定制電量計量算法．從而省去電池組內嵌處理器的成本。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IC,其結構見圖5(a)所示.
*DS2762應用特征
DS2762是一款單節鋰電池電量計與保護電路，集成于一片微小的2.46mm×2.74mm倒裝片封裝。由于內部集成了用于電量檢測的高精密電阻，該款器件非常節省空間。它所具有的小尺寸和無可比擬的高集成度，對于移動電話電池組及其它類似的手持產品，如PDA等，都非常理想。集成的保護電路連續地監視電池的過壓、欠壓和過流故障(充電或放電期間)。不同于獨立的保護IC，DS2762允許主處理器監視/控制保護FET的導通狀態，這樣，可以通過DS2762的保護電路實現系統電源控制。DS2762也可以充電一個已深度消耗的電池，當電池電壓不足3V時，提供一條限制電流的恢復充電路徑。
DS2762能夠精確監視電池電流、電壓和溫度，其動態范圍與分辨率滿足任何通行的移動通信產品的測試標準。測得的電流對內部產生的時基進行積分，實現電量計量。通過實時、連續的自動失調糾正，電量計量的精度得以提高。內置的檢測電阻消除了因制造工藝和溫度而造成的電阻變化，進一步提高了電量計的精度。重要數據保存于32字節、可加鎖的EEPROM；16字節的SRAM用于保存動態數據。與DS2762的所有通信均通過1-Wire、多節點通信接口進行，最大限度減少了電池組與主機的連線。其主要特征為；單節鋰電池保護器；高精度電流(電量計量)、電壓和溫度測量；可選的集成25mΩ檢測電阻，每個DS2762經過單獨微調；0V電池恢復充電；32字節可加鎖EEPROM，16字節SRAM，64位ROM；
1-Wire，多節點，數字通信接口；支持多電池組電源管理，并通過保護FET實現系統電源控制；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電阻;復具有備有評估板.
4、結論
應用好便攜式電子備的電池技術是選擇鋰離子電池和鋰聚合物電池及其充電器的基礎.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重大勝利。在大規模的電能成為“可儲存”和“便攜式”能源之時，能量效率將獲得顯著改善，而且可再生能源的推動工作也將取得進展。可儲存性和便攜性是液體燃料的主要優勢，而通過電池系統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備中使用，而且，電能也可以從幾乎所有的可用能源來產生。核能、太陽能、風能、地熱能和液體燃料(汽油、柴油、乙醇、氫等等)都能很容易地轉換成電能。因此，與石油燃料相比，電力的重大優勢是可以利用最具成本效益的解決方案隨時隨地產生能量。
對電能的規范化可以同時實現規模經濟，并免除局部燃料消耗所需的基礎設施。優越的電能可儲存性便于發電(效率最高，且不是“按需”型的)，目前的情況大體如此。例如：風力發電和太陽能發電未必與峰值功率需求模式相吻合，而可儲存特性則能緩解這個問題有所緩解。優越的便攜性允許電能作為汽車(耗能大戶)的能源。隨著時間的推移，其他傾向于使用綠色能源的應用肯定將得益于此項技術。
電動汽車對電池系統的要求
電動汽車為綠色革命提供了一個巨大的發展機遇，原因有很多。電動汽車采用電網電力取代了燃氣動力。電網電力的生成效率很高，可以從幾乎所有的能源來獲得。此外，電動汽車的能源使用效率也高于燃油汽車。大多數汽車在運行時將經歷一個“加速、減速和空轉”的連續周期。相比之下，易變的負載(比如加速或減速)更有利于電動馬達(而非燃油引擎)，因為它在低速條件下提供了高轉矩。燃油引擎的工作效率只在一個很窄的速度/負載范圍內達到最高，而且為滿足峰值加速的需要，它必須是超大型的。用于把汽油能量轉換為動能的引擎效率通常為20%，而電動馬達將電能轉換為動能的過程中可以實現90%的典型效率。此外，電動馬達還無須在停靠時因為空轉而無謂地消耗能量，而且電動系統還具備通過再生制動來恢復機械能的潛力。通過電動汽車的典型能耗成本僅為0.013美元/英里這一事實，便能看出能量效率的整體改善情況。
遺憾的是，在現今的市場上，純電動汽車還不是一種可行的解決方案，因為其行駛距離受限于車上所能儲存的能量。如今常見的電池組在充電8小時之后能夠讓一輛電動汽車行駛100英里。而一個普通的汽車油箱則能為一輛標準汽車提供300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時間就能完成加油。如果想得到美國消費者的廣泛接受，那么電動汽車必須延長行駛距離和/或縮短再充電時間。應運而生的解決方案是“油電混合動力車”，它把燃油引擎和電動傳動系統組合起來，以提供足夠的行駛距離，同時仍然擁有綠色能源的大多數好處。油電混合動力車采用車載燃氣引擎(用于電池充電)，并在需要時在最有效的速度/轉矩范圍內操作該引擎。
毫無疑問，電動汽車的成功將有助于其它應用的高性能電池系統找到屬于自己的生存空間，從而推進其價格的下降和性能的提升。對于局部發電(包括小型光伏或風力發電系統)，電池可以起到至關重要的平衡作用，且當可以使用電網電力時，它還能充當一個后備電源系統。目前的電池系統相當昂貴而且龐大，且存在可靠性和安全方面的問題。下一代電池系統將提供較高的能量密度，旨在實現外形較小、價格較低、可靠性和安全性更高的解決方案。
高電壓電池組的設計挑戰
對于大功率電池應用而言，鋰離電池可作為首選的化學電池，主要因為它的能量密度高。當今的電動汽車和油電混合動力車采用的是NiMH電池，如果采用鋰離子電池將使其能量儲存密度提高400%。然而，為了使鋰離子電池在多達數千次的充放電循環過程中保持可靠，電池系統必須解決諸多技術難題。
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(SOC)。這些因素并不是獨立的。例如：鋰離子電池在放電時將產生熱量，從而增加放電電流。這有可能形成熱失控狀態，并導致災難性故障的發生。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SOC范圍內，比如20%至80%，此時的可用容量僅為規定容量的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變化可能僅表現為數毫伏的電壓差異。為充分利用電池的可用電壓范圍，電池系統必須非常準確地監視電池電壓(它直接對應于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重要的考慮因素。如欲從一個電氣系統(比如用于給車輛加速所需的電氣系統)來提供有效的功率，則需高達數百伏的電壓。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。系統布線和互連線中的固有電阻將轉換成IR損耗，因此設計師需采用切實可行的最高電壓/最低電流。
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