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簡(jiǎn)化的鋰離子電池充電器測(cè)試
發(fā)布時(shí)間：2023-11-06 11:18:11 瀏覽：772次
由于鋰離子電池的充電過(guò)程可能需要一個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，因此使用其自然負(fù)載（即電池）測(cè)試鋰離子電池充電器既耗時(shí)又不方便。本應(yīng)用筆記介紹了一個(gè)用于模擬 Li+ 電池行為的簡(jiǎn)單電路，從而提供了一種比使用真實(shí)電池更方便的測(cè)試 Li+ 電池充電器的方法。
介紹
鋰離子 (Li+) 電池比其他化學(xué)電池更脆弱，并且難以容忍濫用。因此，鋰離子電池充電器是復(fù)雜的電路，需要高精度的電流和電壓設(shè)置。如果不滿(mǎn)足這些精度要求，充電器可能無(wú)法為電池完全充電、嚴(yán)重縮短電池壽命或以其他方式降低電池性能。
考慮到對(duì) Li+ 充電器的要求，對(duì)充電器設(shè)計(jì)進(jìn)行徹底測(cè)試并逐步完成其整個(gè)工作范圍至關(guān)重要。然而，在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)環(huán)境中，用其自然負(fù)載（即鋰離子電池）測(cè)試鋰離子充電器可能非常耗時(shí)且不切實(shí)際。為了簡(jiǎn)化該過(guò)程，本文提出了一種電池仿真電路，用于在沒(méi)有實(shí)際電池的情況下加速、真實(shí)地測(cè)試鋰離子電池充電器。
CC-CV 充電
Li+電池充電過(guò)程需要在階段進(jìn)行中等精度恒流（CC）充電，在第二階段過(guò)渡到高精度恒壓（CV）充電。
用于 Li+ 電池充電器的現(xiàn)代 CC-CV 集成電路 (MAX1737) 的 VI 特性。此類(lèi) IC 是消費(fèi)產(chǎn)品中所有鋰離子電池充電器的。CC（2.6V 和 4.2V 電池電壓之間）和 CV (4.2V) 區(qū)域清晰顯示。
低于 2.6V 的區(qū)域需要不同的充電技術(shù)。如果嘗試對(duì)放電電壓低于 2.6V 的電池充電，充電器會(huì)施加低值（“調(diào)節(jié)電流”）充電電流，直到電池達(dá)到 2.6V 電平。這是鋰離子電池過(guò)度放電時(shí)的行為所必需的安全機(jī)制。當(dāng) VBATT < 2.6V 時(shí)強(qiáng)制快速充電電流可能會(huì)導(dǎo)致電池進(jìn)入不可逆的短路狀態(tài)。
從 CC 到 CV 階段的轉(zhuǎn)變點(diǎn)具有 ±40mV 的臨界容差。公差較窄的原因是，較低的 CV 不允許電池充滿(mǎn)電，而較高的 CV 會(huì)縮短其使用壽命。
充電過(guò)程終止涉及感測(cè)電池已充滿(mǎn)電并且必須斷開(kāi)或關(guān)閉充電器。這是通過(guò)在 CV 階段檢測(cè)充電電流減少到所謂的快速充電或充電電流的一小部分（通常 < 10%）的點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
Li+充電器測(cè)試參數(shù)
Li+電池充電器設(shè)計(jì)通常有兩個(gè)基本構(gòu)建模塊：數(shù)字模塊（控制狀態(tài)機(jī)）和模擬模塊，由具有（優(yōu)于 1%）參考的良好調(diào)節(jié)的電流/電壓電源組成。與僅僅驗(yàn)證一些電流或電壓值相比，對(duì) Li+ 充電器產(chǎn)品（不僅僅是 IC）進(jìn)行完整測(cè)試是一項(xiàng)更復(fù)雜、更耗時(shí)的任務(wù)。
測(cè)試應(yīng)逐步使充電器經(jīng)歷其整個(gè)工作范圍：通過(guò) CC 階段，直至從 CC 到 CV 的過(guò)渡，直至充電終止?；叵胍幌拢祟?lèi)測(cè)試的現(xiàn)實(shí)條件是使用充電器的自然負(fù)載：Li+ 電池。然而，使用鋰離子電池測(cè)試鋰離子充電器非常耗時(shí)，因?yàn)槌潆娺^(guò)程可能需要一個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)您是否將較高容量的電池與慢速充電器、較低容量的電池與快速充電器或介于兩者之間的充電器結(jié)合使用，測(cè)試時(shí)間差異很大。
此外，在不損壞電池的情況下，充電過(guò)程的加速速度不能超過(guò)電池充電速率（所謂的快速充電電流）所施加的限制。對(duì)于消費(fèi)產(chǎn)品中使用的普通電池，該電流很少規(guī)定高于 1C（一小時(shí)內(nèi)將電池完全放電所需的電流）。因此，在大多數(shù)情況下，攜帶充電器完成整個(gè)循環(huán)所需的時(shí)間將超過(guò)兩個(gè)小時(shí)。
如果需要重復(fù)測(cè)試，則必須將電池完全放電——這個(gè)過(guò)程僅比充電稍短?；蛘?，您必須備有持續(xù)放電的電池。
使用真實(shí)電池進(jìn)行負(fù)載測(cè)試的另一種方法是使用模擬但真實(shí)的負(fù)載來(lái)測(cè)試充電器。該仿真應(yīng)驗(yàn)證電路的直流響應(yīng)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。然而，電池模擬很難用功率測(cè)試中使用的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)。與大多數(shù)用于電源測(cè)試的臺(tái)架負(fù)載不同，電池不充當(dāng)電阻或恒流吸收器。如上所述，測(cè)試還必須逐步讓充電器完成其整個(gè)工作范圍。下面概述的 Li+ 充電器測(cè)試電路滿(mǎn)足所有這些要求。
選擇電池模型負(fù)載
讓我們離題討論兩種應(yīng)該考慮但隨后將被丟棄的建模方法。
對(duì)電池負(fù)載進(jìn)行建模的一種方法是使用能夠提供電流（放電）和吸收電流（充電）的電壓源，并與代表電池內(nèi)阻的電阻器串聯(lián)。由于鋰離子電池需要限制電壓終止和充電電流，因此當(dāng)今所有鋰離子充電器實(shí)際上都是穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器。
此外，由于穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器（充電器）的穩(wěn)定性取決于所連接負(fù)載（電池）的動(dòng)態(tài)特性，因此您必須選擇與模型特性非常相似的負(fù)載。否則，測(cè)試可能只能驗(yàn)證充電器本身的 VI 限制。
如果測(cè)試是性任務(wù)并且簡(jiǎn)單的電池模型滿(mǎn)足測(cè)試要求，則使用串聯(lián)電阻器的并聯(lián)穩(wěn)壓器來(lái)模擬電池的內(nèi)阻可能就足夠了。這種方法還具有由充電器本身供電的優(yōu)點(diǎn)。
然而，更嚴(yán)格的測(cè)試需要更復(fù)雜的模型。該模型使用內(nèi)部電壓源，其值是充電過(guò)程中提供給電池的總電量的函數(shù)。
以恒定電流充電的電池端子之間的電壓以正斜率連續(xù)變化。這種行為是由于放電和電池內(nèi)部的其他化學(xué)過(guò)程期間電池陰極周?chē)e聚的去極化離子逐漸減少而引起的。因此，充電器的工作點(diǎn)取決于其連接到電池的時(shí)間長(zhǎng)度以及電池的過(guò)去歷史。使用大多數(shù)電子實(shí)驗(yàn)室中的通用儀器來(lái)模擬這種更復(fù)雜的模型的負(fù)載更難設(shè)置。
當(dāng)必須經(jīng)常測(cè)試充電電路，或者必須詳細(xì)表征電路性能時(shí)，緊密模擬充電電池的電路是一個(gè)有用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)附件。仿真應(yīng)連續(xù)掃描充電器可能的所有直流工作點(diǎn)。電路還應(yīng)顯示結(jié)果，以便操作員可以查找問(wèn)題、毛刺和振蕩。如果模擬器提供電池電壓和信號(hào)的輸出，這些結(jié)果可以直接作為示波器鏡頭呈現(xiàn)。
該測(cè)試可以加速（從幾小時(shí)到幾十秒）并根據(jù)需要重復(fù)多次，這使得它比使用真正的電池進(jìn)行測(cè)試方便得多。然而，加速測(cè)試不足以確定功率應(yīng)力對(duì)充電器電路的熱影響。因此，您可能需要在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行額外的測(cè)試，以適應(yīng)充電器電源和調(diào)節(jié)電路中的熱時(shí)間常數(shù)。
圖 2 中的電路模擬單節(jié)鋰離子電池。充電器 CC 階段期間產(chǎn)生的終止電壓和快速充電電流均由充電器上的設(shè)置控制。當(dāng)模擬器初始化為完全放電狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部電池電壓設(shè)置為 3V，但可以將該電壓升高至 4.3V 以測(cè)試過(guò)充電狀態(tài)。3V 初始化是用于終止 Li+ 電池放電的低電量關(guān)斷電路的典型情況。該設(shè)計(jì)旨在與標(biāo)準(zhǔn) CC-CV 型 Li+ 電池充電器配合使用，在 4.2V 時(shí)終止充電。該設(shè)計(jì)可以輕松調(diào)整，以適應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)水平的終止電壓和完全放電電壓。
被測(cè)充電器以高達(dá) 3A 的充電電流驅(qū)動(dòng)模擬器，但受到功率晶體管耗散所設(shè)定的限制。圖 2 電路模擬的電池電壓增加是從模擬器設(shè)置為完全放電狀態(tài)時(shí)電路所積分的所有充電電流的函數(shù)。
根據(jù)所示值和 1A 充電電流，積分時(shí)間常數(shù)允許模擬器在六到七秒內(nèi)達(dá)到充電器的 4.2V 限制。電流范圍、內(nèi)阻、充電終止電壓和完全放電電壓的模擬基于典型 Li+ 電池（在本例中為 SonyUS18650G3）的規(guī)格。模擬的電池電壓不包括環(huán)境溫度影響的模擬。
該并聯(lián)穩(wěn)壓器圍繞一個(gè) MAX8515 并聯(lián)穩(wěn)壓器和一對(duì)雙極功率晶體管而設(shè)計(jì)。（選擇該穩(wěn)壓器是因?yàn)槠鋬?nèi)部電壓基準(zhǔn)的精度。）高電流 TIP35 晶體管連接到能夠耗散約 25W 功率的散熱器。
MAX4163雙運(yùn)算放大器的一半集成充電電流，而另一半放大電流測(cè)量信號(hào)并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。運(yùn)算放大器的高 PSRR 和軌到軌輸入和輸出范圍簡(jiǎn)化了這兩種功能的電路設(shè)計(jì)。請(qǐng)注意，與電池模擬器正極串聯(lián)的 0.100Ω 電流檢測(cè)電阻也用作電池的內(nèi)阻。
當(dāng)在具有自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集功能的系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，模擬器可以通過(guò)外部信號(hào)重置為完全放電狀態(tài)?；蛘?，當(dāng)手動(dòng)操作測(cè)試設(shè)置時(shí)，可以通過(guò)按鈕將其重置。
單刀單擲開(kāi)關(guān)可讓您為模擬器選擇兩種操作模式。在位置 A，開(kāi)關(guān)作為集成電荷模擬器運(yùn)行，如上所述。在位置 B，它假定設(shè)定的輸出電壓并根據(jù)需要吸收電流，以便在固定的直流工作點(diǎn)對(duì)充電器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。為此，可以通過(guò) 50kΩ 可變電阻在 2.75V 和 5.75V 之間手動(dòng)調(diào)節(jié)“設(shè)置”電壓。這些設(shè)定電壓值指的是內(nèi)部灌電流源。仿真器端子之間實(shí)際測(cè)量的電壓 (VBATT) 等于設(shè)定電壓加上仿真器內(nèi)阻（0.100Ω 電阻）中流過(guò)的灌電流引起的壓降。操作模擬器所需的所有電力均來(lái)自電池充電器的輸出。
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