DS2770 Li+電池脈沖充電器與線(xiàn)性充電器的性能比較

脈沖充電器具有許多與線(xiàn)性充電器相同的優(yōu)點(diǎn)，如：簡(jiǎn)單、廉價(jià)、小尺寸、外部元件少等。與線(xiàn)性充電器相比，脈沖充電器還具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它的熱量主要耗散在墻上適配器、而不是充電器本身，由此，設(shè)計(jì)中不需要考慮散熱問(wèn)題。當(dāng)然，它也存在某些缺陷，按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，Li+電池脈沖充電器可能導(dǎo)致電池過(guò)早地老化，這一結(jié)論是以恒流充電過(guò)程和脈沖充電過(guò)程采用了相同的充電電流為前提的。利用DS2770構(gòu)成的脈沖充電器進(jìn)行一系列測(cè)試后，所得數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)觀點(diǎn)并不相符。本文對(duì)線(xiàn)性充電器(CC/CV)和DS2770電池監(jiān)視與脈沖充電器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，主要對(duì)比了充電時(shí)間、電池有效容量和電池壽命等項(xiàng)指標(biāo)。
充電時(shí)間和電池壽命

圖1  線(xiàn)性充電器和脈沖充電器測(cè)試裝置

圖2  脈沖充電器與線(xiàn)性充電器在全溫范圍內(nèi)充電時(shí)間對(duì)照?qǐng)D

圖3  脈沖充電器與線(xiàn)性充電器在全溫范圍內(nèi)可用電池容量對(duì)照?qǐng)D

圖4  線(xiàn)性充電與脈沖充電時(shí)電池壽命對(duì)照?qǐng)D

DS2770電池監(jiān)視器與充電控制器構(gòu)成Li+電池充電器，用于提供脈沖充電、并在試驗(yàn)中充當(dāng)庫(kù)侖計(jì)，庫(kù)侖計(jì)用于測(cè)量電池經(jīng)過(guò)反復(fù)充電后的容量跌落值。圖1所示為具體采用的測(cè)試電路。充電電源采用Keithley Model 2304，其開(kāi)路電壓設(shè)置為6.0V，配置為脈沖充電器時(shí)，Keithley連接到節(jié)點(diǎn)A(圖1)，電流限制為750mA。啟動(dòng)充電后，DS2770將以所限制的電流為電池充電、直到電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，轉(zhuǎn)至脈沖充電，脈沖寬度(tPULSE)為875ms(典型值)，當(dāng)tPULSE + tOFF = 14s(典型值)、占空比為6.25%時(shí)。終止充電。線(xiàn)性充電模式下，Keithley在恒流充電期間被設(shè)置為6.0V@750mA、與節(jié)點(diǎn)B連接在一起，此時(shí)，DS2770只用于測(cè)量恒流充電時(shí)的電池電壓和恒壓充電時(shí)的電池電流，如果檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.2V，Keithley將保持節(jié)點(diǎn)B為固定的4.2V。當(dāng)DS2770檢測(cè)到充電電流遞減至50mA(節(jié)點(diǎn)B為4.2V)時(shí)，將終止充電過(guò)程，認(rèn)為電池已充滿(mǎn)。
另一個(gè)Keithley 2304用于放電周期的模擬負(fù)載，測(cè)試中所采用的放電過(guò)程均在25℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，并在任何充電模式下保證相同的放電特性。以750mA的直流負(fù)載電流將電池放電至3.4V；釋放負(fù)載后，電池電壓將有所回升，然后以250mA的直流繼續(xù)放電，使電池電壓跌至3.4V；最后，以50mA的負(fù)載電流繼續(xù)放電，當(dāng)電池電壓再次跌至3.4V時(shí)，認(rèn)為電池已完全放電。從放電開(kāi)始到放電結(jié)束，DS2770累計(jì)電流寄存器(ACR)內(nèi)數(shù)值之差被當(dāng)作每次充電的有效電池容量記錄下來(lái)。

充電時(shí)間和電池有效容量
試驗(yàn)中采用一款新的1400mAh鋰聚合物電池進(jìn)行測(cè)試，充電器分別采用DS2770構(gòu)成的脈沖充電器和分立式線(xiàn)性充電器，由于電池容量在最初的幾次充電/放電過(guò)程中會(huì)有較大的變化，所以在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前，首先對(duì)電池重復(fù)進(jìn)行10次充、放電。整個(gè)試驗(yàn)從40℃環(huán)境溫度下用DS2770脈沖充電器對(duì)完全放電的電池進(jìn)行充電開(kāi)始，記錄充電開(kāi)始和充電結(jié)束的時(shí)間(利用PC機(jī)時(shí)鐘)；室溫恢復(fù)到25℃時(shí)，按照上述放電過(guò)程將電池電量完全放掉，記錄放電開(kāi)始和放電結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的ACR數(shù)值之差、將其作為電池的有效容量。完成脈沖充電測(cè)試后，用線(xiàn)性穩(wěn)壓器在40℃環(huán)境溫度下對(duì)電池進(jìn)行充電，并記錄充電時(shí)間；然后，在25℃時(shí)按照相同的放電過(guò)程對(duì)電池進(jìn)行放電處理，記錄ACR的差值。在0℃至40℃范圍內(nèi)、按照5℃間隔重復(fù)上述試驗(yàn)。所得結(jié)果如圖2和圖3所示。
從上述曲線(xiàn)可以看出：在給定溫度下，兩種充電模式得到的電池有效容量基本相同，高溫區(qū)域脈沖充電模式下獲得的有效電池容量略高于線(xiàn)性模式充電時(shí)的電池容量，低溫區(qū)域結(jié)論恰好相反。兩種充電模式對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間相差較大，低溫充電時(shí)，恒壓浮充過(guò)程所占用的時(shí)間要比脈沖浮充時(shí)間長(zhǎng)37%；40℃時(shí)，脈沖充電過(guò)程時(shí)間縮短了14%。測(cè)試結(jié)果表明：脈沖充電明顯比線(xiàn)性充電過(guò)程快。

電池壽命比較
為了比較脈沖充電模式和線(xiàn)性充電模式對(duì)電池使用壽命的影響，我們選用了兩個(gè)新的1400mAh鋰聚合物電池，兩個(gè)電池分別利用線(xiàn)性充電器和脈沖充電器重復(fù)充電/放電500次，以電池有效容量的衰減作為衡量電池壽命的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)表明：脈沖充電方式對(duì)于電池壽命的影響更小。25℃時(shí)，利用CC/CV方式對(duì)電池重復(fù)充電/放電500次后，電池有效容量要比脈沖方式下進(jìn)行相同測(cè)試后的結(jié)果降低4.6%。

結(jié)語(yǔ)
線(xiàn)性充電器和脈沖充電器同樣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，但是，線(xiàn)性充電器的熱量主要耗散在調(diào)整管上，設(shè)計(jì)中需要考慮散熱問(wèn)題，脈沖充電器需要限流型電流源，但其熱量主要耗散在充電電源上、而非電池組內(nèi)部。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為：由于脈沖充電器在電池電壓達(dá)到VCV時(shí)是以1C的脈動(dòng)電流進(jìn)行充電，使電池壽命受到較大影響。利用DS2770電池監(jiān)視器和充電控制器對(duì)電池進(jìn)行充電，測(cè)試結(jié)果表明：脈沖充電器充電速度比線(xiàn)性充電器快16%(25℃)，并保持基本相同的有效電池容量；利用DS2770構(gòu)成的脈沖充電器對(duì)Li+電池重復(fù)充電500次后對(duì)電池壽命的影響更小。■