鋰電池充電器測(cè)試小方案

鋰離子(Li+)電池比其它化學(xué)類型的電池更脆弱，對(duì)于違規(guī)操作具有非常小的容限。因此，鋰電池充電電路比較復(fù)雜，要求高精度電流、電壓設(shè)置。如果無(wú)法滿足這些精度要求，充電器可能無(wú)法將電池完全充滿，進(jìn)而降低電池壽命，或影響電池性能。

　　鑒于對(duì)Li+電池充電器的這些要求，對(duì)充電器設(shè)計(jì)進(jìn)行完全測(cè)試并在整個(gè)工作范圍內(nèi)進(jìn)行分段測(cè)試非常重要。然而，采用常規(guī)負(fù)載(即Li+電池)測(cè)試Li+電池充電器將非常耗時(shí)，而且在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)環(huán)境中也難于實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程，本文給出了一個(gè)電池仿真電路，可加快測(cè)試速度，在不帶實(shí)際電池的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池充電器的測(cè)試。

　　CC-CV充電

　　鋰離子電池充電過(guò)程的第一階段需要中等精度的恒流(CC)充電，然后在第二階段過(guò)渡到高精度恒壓(CV)充電。

　　圖1為用于鋰離子電池充電器的CC-CV集成電路(MAX1737)的V-I特性曲線。這種類型的IC是消費(fèi)類產(chǎn)品中所有鋰離子電池充電器的核心。圖中可清楚

　　看出CC (2.6V至4.2V電池電壓)和CV (4.2V)區(qū)域。

　　圖1. MAX1737的V-I曲線是Li+電池充電器的標(biāo)準(zhǔn)特性曲線

　　電池低于2.6V時(shí)，需要采用不同的充電技術(shù)。如果試圖對(duì)放電至2.6V以下的電池充電，充電器須提供一個(gè)較低的充電電流(“調(diào)理電流”)，將電池電壓充至2.6V。這是鋰離子電池過(guò)放電時(shí)所必須采取的安全機(jī)制。VBATT 2.6V時(shí)強(qiáng)行進(jìn)行快速充電，會(huì)使電池進(jìn)入不可恢復(fù)的短路狀態(tài)。

　　CC向CV階段的過(guò)渡點(diǎn)的臨界容差為± 40mV。之所以要求如此嚴(yán)格的容差，是因?yàn)槿绻鸆V過(guò)低，電池將無(wú)法完全充滿;而CV過(guò)高，則會(huì)縮短電池的使用壽命。充電過(guò)程終止意味著檢測(cè)到電池達(dá)到滿電量，充電器必須斷開或關(guān)閉。在CV階段，當(dāng)檢測(cè)到充電電流降至快充電流或最大充電電流的一定比例(通常 10%)時(shí)終止充電。

　　Li+電池充電器參數(shù)測(cè)試

　　Li+電池充電器設(shè)計(jì)通常包括兩個(gè)基本部分：數(shù)字部分(控制狀態(tài)機(jī))和模擬部分，模擬部分包括帶有高精度(>1%)基準(zhǔn)、可精確控制的電流/電壓源。對(duì)鋰離子充電器(不僅指IC)進(jìn)行完全測(cè)試是一項(xiàng)非常棘手且耗費(fèi)時(shí)間的工作，不僅僅限于對(duì)電流或電壓值進(jìn)行檢驗(yàn)。

　　測(cè)試時(shí)，應(yīng)該在整個(gè)工作范圍對(duì)充電器進(jìn)行分段檢測(cè)：包括CC階段、從CC到CV的切換、充電終止等。如上所述，測(cè)試的理想情況是采用常規(guī)充電器的負(fù)載：即Li+電池。然而，由于充電過(guò)程需要一小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，使用鋰電池進(jìn)行測(cè)試非常耗時(shí)。根據(jù)具體測(cè)試條件的不同：例如大容量電池+慢速充電，小容量電池+快速充電以及其它可能組合，測(cè)試時(shí)間也不盡相同。

　　此外，充電過(guò)程無(wú)法在保證不損壞電池的前提下提高充電電流，因?yàn)槌潆婋娏魇茈姵刈畲蟪潆娝俾?即快速充電電流)的制約。對(duì)于消費(fèi)類產(chǎn)品常用的電池，很少規(guī)定電流大于1C (在1小時(shí)內(nèi)將電池完全放電的電流)。因此，大多數(shù)情況下完成整個(gè)充電周期所需要的時(shí)間往往超過(guò)兩小時(shí)。如果需要重復(fù)測(cè)試，則需要將電池完全放電 — 這一過(guò)程僅僅比充電稍微短一些。或者，必須能夠隨時(shí)備有完全放電的電池。

　　另外可以使用一個(gè)模擬的理想負(fù)載替代真實(shí)電池進(jìn)行負(fù)載測(cè)試。仿真時(shí)，應(yīng)驗(yàn)證電路的直流響應(yīng)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。然而，使用功率測(cè)試所用的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載進(jìn)行電池仿真非常困難。與大多數(shù)電源測(cè)試使用的負(fù)載不同，電池不能簡(jiǎn)單地當(dāng)作電阻或固定地吸入電流。如上所述，必須在整個(gè)工作范圍內(nèi)進(jìn)行分段測(cè)試。以下介紹的Li+充電器測(cè)試電路完全滿足這些要求。

　　選擇電池模型負(fù)載

　　我們先討論兩個(gè)必須考慮但最終放棄的建模方法。電池負(fù)載建模的方法之一是：使用一個(gè)具有源出(放電)和吸入(充電)電流能力的電壓源與代表電池內(nèi)阻的電阻串聯(lián)。由于Li+電池要求精確控制終止電壓和充電電流，目前所有Li+充電器實(shí)際上是穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器。

　　此外，由于穩(wěn)壓電源變換器(充電器)的穩(wěn)定性取決于負(fù)載(電池)的動(dòng)態(tài)特性，因此必須選擇一個(gè)與模型非常相似的負(fù)載。否則，測(cè)試只能驗(yàn)證充電器本身的V-I特性。

　　如果只是進(jìn)行一次性測(cè)試，可以使用并聯(lián)型穩(wěn)壓器與電阻串聯(lián)，這足以模擬電池的內(nèi)阻，并且，這一簡(jiǎn)單的電池模型完全可以滿足測(cè)試要求。這種方法的優(yōu)勢(shì)是由充電器本身供電。然而，更嚴(yán)格的測(cè)試需要更精確的模型。該模型采用內(nèi)部電壓源，電壓值是充電過(guò)程中供給電池的總電荷的函數(shù)。

　　用恒流源對(duì)電池充電時(shí)電壓將不斷變化，以一定的正斜率上升。這是由于放電和其它電池內(nèi)部化學(xué)變化過(guò)程中，電池正極周圍累積的極化離子逐漸減少。因此，充電器的工作點(diǎn)取決于電池連接時(shí)間的長(zhǎng)短，以及電池的工作歷史。用大多數(shù)電子實(shí)驗(yàn)室能夠找到的通用器件構(gòu)建負(fù)載，以模擬這一復(fù)雜負(fù)載的模型很困難。

　　需要經(jīng)常對(duì)充電電路進(jìn)行測(cè)試，或必須詳細(xì)描述電路特性時(shí)，準(zhǔn)確模擬充電過(guò)程的電池非常有用。模擬過(guò)程需要連續(xù)掃描充電器的所有直流工作點(diǎn)。模擬電路還要顯示結(jié)果，使操作人員可以查找問(wèn)題、故障和干擾。如果模擬電路能夠提供電池電壓輸出和信號(hào)，這些結(jié)果可以直接作為示波器信號(hào)。測(cè)試速度可以加快(從幾小時(shí)到數(shù)十秒)，并可根據(jù)需要進(jìn)行多次反復(fù)，比用真正的電池測(cè)試更方便。然而，測(cè)試速度加快后對(duì)確定充電電源的熱效應(yīng)不利。因此，可能需要額外的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，以便與充電電源和調(diào)節(jié)電路的熱時(shí)間常數(shù)相吻合。