簡化的鋰離子電池充電器測試
發(fā)布日期:2023-11-06
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由于鋰離子電池的充電過程可能需要一個小時或更長時間，因此使用其自然負載（即電池）測試鋰離子電池充電器既耗時又不方便。本應(yīng)用筆記介紹了一個用于模擬 Li+ 電池行為的簡單電路，從而提供了一種比使用真實電池更方便的測試 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。如果不滿足這些精度要求，充電器可能無法為電池完全充電、嚴重縮短電池壽命或以其他方式降低電池性能。
考慮到對 Li+ 充電器的要求，對充電器設(shè)計進行徹底測試并逐步完成其整個工作范圍至關(guān)重要。然而，在實驗室和生產(chǎn)環(huán)境中，用其自然負載（即鋰離子電池）測試鋰離子充電器可能非常耗時且不切實際。為了簡化該過程，本文提出了一種電池仿真電路，用于在沒有實際電池的情況下加速、真實地測試鋰離子電池充電器。
CC-CV 充電
Li+電池充電過程需要在階段進行中等精度恒流（CC）充電，在第二階段過渡到高精度恒壓（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 IC 是消費產(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)。如果嘗試對放電電壓低于 2.6V 的電池充電，充電器會施加低值（“調(diào)節(jié)電流”）充電電流，直到電池達到 2.6V 電平。這是鋰離子電池過度放電時的行為所必需的安全機制。當(dāng) VBATT < 2.6V 時強制快速充電電流可能會導(dǎo)致電池進入不可逆的短路狀態(tài)。
從 CC 到 CV 階段的轉(zhuǎn)變點具有 ±40mV 的臨界容差。公差較窄的原因是，較低的 CV 不允許電池充滿電，而較高的 CV 會縮短其使用壽命。
充電過程終止涉及感測電池已充滿電并且必須斷開或關(guān)閉充電器。這是通過在 CV 階段檢測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%）的點來實現(xiàn)的。
Li+充電器測試參數(shù)
Li+電池充電器設(shè)計通常有兩個基本構(gòu)建模塊：數(shù)字模塊（控制狀態(tài)機）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。與僅僅驗證一些電流或電壓值相比，對 Li+ 充電器產(chǎn)品（不僅僅是 IC）進行完整測試是一項更復(fù)雜、更耗時的任務(wù)。
測試應(yīng)逐步使充電器經(jīng)歷其整個工作范圍：通過 CC 階段，直至從 CC 到 CV 的過渡，直至充電終止?；叵胍幌?，此類測試的現(xiàn)實條件是使用充電器的自然負載：Li+ 電池。然而，使用鋰離子電池測試鋰離子充電器非常耗時，因為充電過程可能需要一個小時或更長時間。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，測試時間差異很大。
此外，在不損壞電池的情況下，充電過程的加速速度不能超過電池充電速率（所謂的快速充電電流）所施加的限制。對于消費產(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循環(huán)所需的時間將超過兩個小時。
如果需要重復(fù)測試，則必須將電池完全放電——這個過程僅比充電稍短?；蛘?，您必須備有持續(xù)放電的電池。
使用真實電池進行負載測試的另一種方法是使用模擬但真實的負載來測試充電器。該仿真應(yīng)驗證電路的直流響應(yīng)和動態(tài)穩(wěn)定性。然而，電池模擬很難用功率測試中使用的標(biāo)準負載來實現(xiàn)。與大多數(shù)用于電源測試的臺架負載不同，電池不充當(dāng)電阻或恒流吸收器。如上所述，測試還必須逐步讓充電器完成其整個工作范圍。下面概述的 Li+ 充電器測試電路滿足所有這些要求。
選擇電池模型負載
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。
對電池負載進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載（電池）的動態(tài)特性，因此您必須選擇與模型特性非常相似的負載。否則，測試可能只能驗證充電器本身的 VI 限制。
如果測試是性任務(wù)并且簡單的電池模型滿足測試要求，則使用串聯(lián)電阻器的并聯(lián)穩(wěn)壓器來模擬電池的內(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。
然而，更嚴格的測試需要更復(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)過程期間電池陰極周圍積聚的去極化離子逐漸減少而引起的。因此，充電器的工作點取決于其連接到電池的時間長度以及電池的過去歷史。使用大多數(shù)電子實驗室中的通用儀器來模擬這種更復(fù)雜的模型的負載更難設(shè)置。
當(dāng)必須經(jīng)常測試充電電路，或者必須詳細表征電路性能時，緊密模擬充電電池的電路是一個有用的實驗臺附件。仿真應(yīng)連續(xù)掃描充電器可能的所有直流工作點。電路還應(yīng)顯示結(jié)果，以便操作員可以查找問題、毛刺和振蕩。如果模擬器提供電池電壓和信號的輸出，這些結(jié)果可以直接作為示波器鏡頭呈現(xiàn)。
該測試可以加速（從幾小時到幾十秒）并根據(jù)需要重復(fù)多次，這使得它比使用真正的電池進行測試方便得多。然而，加速測試不足以確定功率應(yīng)力對充電器電路的熱影響。因此，您可能需要在較長時間內(nèi)進行額外的測試，以適應(yīng)充電器電源和調(diào)節(jié)電路中的熱時間常數(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，內(nèi)部電池電壓設(shè)置為 3V，但可以將該電壓升高至 4.3V 以測試過充電狀態(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)計旨在與標(biāo)準 CC-CV 型 Li+ 電池充電器配合使用，在 4.2V 時終止充電。該設(shè)計可以輕松調(diào)整，以適應(yīng)非標(biāo)準水平的終止電壓和完全放電電壓。
被測充電器以高達 3A 的充電電流驅(qū)動模擬器，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，積分時間常數(shù)允許模擬器在六到七秒內(nèi)達到充電器的 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 MAX8515 并聯(lián)穩(wěn)壓器和一對雙極功率晶體管而設(shè)計。（選擇該穩(wěn)壓器是因為其內(nèi)部電壓基準的精度。）高電流 TIP35 晶體管連接到能夠耗散約 25W 功率的散熱器。
MAX4163雙運算放大器的一半集成充電電流，而另一半放大電流測量信號并進行電平轉(zhuǎn)換。運算放大器的高 PSRR 和軌到軌輸入和輸出范圍簡化了這兩種功能的電路設(shè)計。請注意，與電池模擬器正極串聯(lián)的 0.100Ω 電流檢測電阻也用作電池的內(nèi)阻。
當(dāng)在具有自動測試數(shù)據(jù)采集功能的系統(tǒng)中運行時，模擬器可以通過外部信號重置為完全放電狀態(tài)?；蛘?，當(dāng)手動操作測試設(shè)置時，可以通過按鈕將其重置。
單刀單擲開關(guān)可讓您為模擬器選擇兩種操作模式。在位置 A，開關(guān)作為集成電荷模擬器運行，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對充電器進行現(xiàn)場測試。為此，可以通過 50kΩ 可變電阻在 2.75V 和 5.75V 之間手動調(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。仿真器端子之間實際測量的電壓 (VBATT) 等于設(shè)定電壓加上仿真器內(nèi)阻（0.100Ω 電阻）中流過的灌電流引起的壓降。操作模擬器所需的所有電力均來自電池充電器的輸出。
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