充電技術(shù):停不下“充電”的步伐

　　電源保護(hù)與電源監(jiān)控

　　由于充電電池需要反復(fù)使用，而且在充電過(guò)程中盡管是直流充電，依然會(huì)存在一定的瞬態(tài)電流，所以充電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行一定的電源保護(hù)設(shè)計(jì)，以確保對(duì)電池的損傷能降到最低。

　　郭濤強(qiáng)調(diào)，具體到實(shí)際應(yīng)用，單只鋰離子電池的充電電壓最好保持在4.1V，通過(guò)充放電管理芯片，充電電流通常限制在1C以下，否則會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電系統(tǒng)通常采用恒流/恒壓充電模式，即先采用恒定電流充電，電池電壓不斷上升，當(dāng)上升到門限電壓時(shí)充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓方式(4.1V+50mV)，充電電流逐漸減小，當(dāng)電池充足電時(shí)，電流降到涓流充電電流。在電池充電過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)充對(duì)電池造成的損傷是最為嚴(yán)重的事件，極度情況下會(huì)引起電池爆炸著火，傷及人身。為了避免此類事故，電源部分通常采用限壓技術(shù)或元件，防止過(guò)高電壓電源的誤輸入造成充放電管理系統(tǒng)電路的損壞;同時(shí)，在電池電極附近安裝聚合物型可恢復(fù)正溫度保護(hù)器件，在充放電管理系統(tǒng)失效時(shí)，起到二次保護(hù)作用，防止過(guò)充造成電池的毀壞。

　　除了在充電過(guò)程中加入相應(yīng)電路保護(hù)功能，充電過(guò)程中還需要通過(guò)對(duì)電池的電壓及溫度的監(jiān)測(cè)，針對(duì)電池的不同狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理的充電曲線，來(lái)調(diào)整不同狀態(tài)下的充電電流來(lái)降低對(duì)電池的損傷。特別是對(duì)便攜產(chǎn)品的鋰離子電池充電，如果不進(jìn)行電池監(jiān)控，散熱失控(一種電池進(jìn)入失控反應(yīng)的狀態(tài))會(huì)導(dǎo)致電池的溫度快速升高，最終產(chǎn)生爆炸等嚴(yán)重后果，在某些低高溫范圍內(nèi)應(yīng)避免使用高充電電流和高充電電壓的重要性。目前智能電池組包括了一個(gè)電量計(jì)、模擬前端和二級(jí)保護(hù)電路，常常用于筆記本電腦應(yīng)用中。電量計(jì)通過(guò) SMBus 向系統(tǒng)提供電池的電池電壓、充電和放電電流、電池溫度、剩余電量以及可運(yùn)行時(shí)間信息，旨在優(yōu)化系統(tǒng)性能。在各類電源監(jiān)控電路部分，郭濤認(rèn)為，可使用TE電路保護(hù)部的聚合物型自恢復(fù)保護(hù)器或者一次型保險(xiǎn)絲，防止由于各類操作和組裝失誤造成的電源短路故障。

　　電源監(jiān)控同樣也是提升充電效率的一個(gè)重要手段，能夠?qū)⒊潆娦畔鬟f給控制部分，優(yōu)化充電過(guò)程。充電系統(tǒng)中需要監(jiān)控的參數(shù)主要包括充電電流，充電電壓，充電器的溫度，電池的溫度等信息，而這些參數(shù)主要是通過(guò)ADC檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如監(jiān)控充電電流這一項(xiàng)，由于在大功率應(yīng)用中，為了達(dá)到較高的檢測(cè)精度，一般使用精密電阻來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，但是為了不影響充電效率，電阻的取值一般都非常小，所以需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，而這時(shí)候電流放大器就特性就會(huì)非常重要。

　　軟件的作用

　　軟件在充電系統(tǒng)中扮演了非常重要的角色，對(duì)硬件電路起到了不可忽視的補(bǔ)充作用，使得充電系統(tǒng)的可控性和可移植性變得更強(qiáng)。例如通過(guò)軟件算法對(duì)充電系統(tǒng)和電池進(jìn)行監(jiān)控，可以極大地減少充電解決方案的硬件體積和成本，增強(qiáng)充電系統(tǒng)的可靠性。李林表示，Intersil公司為自己的每一款充電芯片都提供必要的軟件支持，通過(guò)提供圖形化的軟件評(píng)估界面和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，以便系統(tǒng)廠商可以方便快速地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而縮短系統(tǒng)廠商的開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。軟件具有更改靈活、便于擴(kuò)展，整體費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。隨著嵌入式軟件的發(fā)展，軟體在充電系統(tǒng)中的分量將越來(lái)越重。郭濤介紹，TE電路保護(hù)部提供業(yè)內(nèi)先進(jìn)的電路保護(hù)器件和完善的保護(hù)方案，作為一個(gè)被動(dòng)元件商，現(xiàn)在還沒(méi)有進(jìn)入相關(guān)的軟件領(lǐng)域。

　　新興應(yīng)用

　　電動(dòng)汽車是最近一個(gè)非常熱門的應(yīng)用，而普及電動(dòng)汽車的諸多技術(shù)因素中，充電系統(tǒng)現(xiàn)在是制約其快速發(fā)展的重要瓶頸。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)不僅要求效率和充電時(shí)間，更要求在安全和易用性上取得突破。這其中比較突出的要求包括，通用性的充電接口與通用電量檢測(cè)軟件。

　　大功率電池供電設(shè)備不同于單節(jié)電池供電系統(tǒng)。由于需要使用多節(jié)電池進(jìn)行各種串并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)所需的電池功率，使得整個(gè)供電單元成為一個(gè)復(fù)雜的電池組。在這個(gè)電池組中任何一節(jié)電池芯出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池組包失效并危害到使用者。如何保證電池組中每一節(jié)電池的安全，如何用最經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)每一節(jié)電池的監(jiān)控，如何保證在復(fù)雜的電池系統(tǒng)裝配過(guò)程中不因各類疏忽或差錯(cuò)引起無(wú)法控制的危害，這些都是與傳統(tǒng)單節(jié)電池充電系統(tǒng)的不同和需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

　　同時(shí)，這類產(chǎn)品由于其應(yīng)用的特殊性，對(duì)可靠性要求比較嚴(yán)格，因此對(duì)相應(yīng)的半導(dǎo)體器件也提出了新的挑戰(zhàn)。李林自信地表示，Intersil在這類產(chǎn)品上有單獨(dú)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，根據(jù)自身的優(yōu)勢(shì)，為這類應(yīng)用提供高可靠性的解決方案。針對(duì)于當(dāng)下發(fā)展最活躍的鋰電池電動(dòng)車市場(chǎng)，Intersil推出了多個(gè)高性能的產(chǎn)品系列和解決方案，如多節(jié)電池均衡保護(hù)模擬前端產(chǎn)品ISL78600，在提供業(yè)界最快的循環(huán)電池電壓掃描功能的同時(shí)，耗電量低到只有幾十微安, 并且提供業(yè)界最靈活的內(nèi)部寄存器設(shè)置幫助客戶實(shí)現(xiàn)不同的電池保護(hù)算法要求。 再如更具靈活性的基于ISL6754的高效率非對(duì)稱全橋ZVS電壓轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種新的架構(gòu)在不增加硬件投入成本的前提下幫助客戶將大功率充電系統(tǒng)的效率提升了一個(gè)等級(jí)，為節(jié)能環(huán)保型充電器的入市奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　除了電動(dòng)車充電外，無(wú)線充電則是消費(fèi)電子領(lǐng)域的熱門應(yīng)用，這方面請(qǐng)參考本刊2012年6月相關(guān)文章。而另一個(gè)值得關(guān)注的是太陽(yáng)能與光伏發(fā)電后的充電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的最大不同是直流發(fā)電后儲(chǔ)存電能，然后經(jīng)過(guò)DC-AC轉(zhuǎn)換后如何并入電網(wǎng)，這其中最關(guān)鍵的是效率、持續(xù)性與兼容性。