一種鋰離子電池充電管理技術(shù)

劉家斌

（廈門芯陽科技股份有限公司，福建 廈門 361000）

1 鋰離子電池概述

1.1 鋰離子電池的發(fā)展概述

鋰離子電池因循環(huán)壽命長（大于 500 次）、能量轉(zhuǎn)換效率高、自放電率低（小于每月 10%），使其市場占有率不斷提高。其初始成本較高，應(yīng)用并不廣泛，但新的化學(xué)體系和規(guī)模經(jīng)濟能夠降低未來鋰離子電池的成本。

1.2 鋰離子電池的基本原理

鋰離子電池一般是使用鋰金屬氧化物為正極材料，石墨為負極材料，是使用非水電解質(zhì)的電池。正極中的金屬是過渡金屬，通常是Co。活性物質(zhì)在電池兩端黏接到金屬集流體，并用微孔聚合物隔膜或凝膠聚合物作電氣隔離。液體或凝膠聚合物電解質(zhì)允許鋰離子（Li+）在正極和負極之間擴散。鋰離子通過插層過程從活性物質(zhì)中嵌入或脫出。

在充電過程中的正極上，活性物質(zhì)被氧化，鋰離子脫出過程如下。

在充電過程中的負極上，活性物質(zhì)被還原。在反應(yīng)中，鋰離子從正極遷移并通過電解液和隔膜嵌入[1]。

1.3 鋰離子電池的特性

優(yōu)點：1）能量密度比較高，是鉛酸電池的約6～7倍；2）額定電壓高，約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓；3）自放電率很低，一般可做到低于1%/ 月，不到鎳氫電池的1/20；4）綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報廢，都不含有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。

缺點：1）安全性差，有發(fā)生爆炸的危險。2）須保護線路，防止電池被過充、過放電。

1.4 鋰離子電池的充電過程

目前鋰離子電池的充電過程，大致劃分為四個階段，即涓流充電 、恒流充電 、 恒壓充電 、停止充電。

涓流充電，所謂涓流就是小電流充電。一般我們?nèi)?.1C即可，C代表電池容量。鋰離子電池存在電量過放的可能，所以我們需要用小電流來補償?shù)碾姵仉娏?，避免過放帶來的電池損傷進一步激化。

恒流充電，即充電電流恒定，就是我們常說的CC模式。恒流充電我們電流需要恒定，一般取充電電流在0.2C～1C。這個過程中，電池的電壓會不斷上升，直達電池電壓達到4.2V后進入恒壓充電階段。

恒壓充電，即充電電壓恒定，就是我們常說的CV模式。恒壓充電過程電池電壓維持不變，充電電流不斷下降，一直到電流低于0.1C后，停止充電。

充飽狀態(tài)，當(dāng)恒壓充電完成后，我們便可以停止充電。

2 電池主流充電控制方式

充電控制方式目前主要有兩種：線性充電控制，BUCK降壓充電控制。早期線性充電方式應(yīng)用很廣，但是隨著電池容量的上升和充電時間縮短的要求，逐步開始應(yīng)用DC-DC的充電控制。

2.1 線性充電控制

該應(yīng)用方式是目前最常用的控制方式，因為芯片集成度高，方案外圍電路簡單，應(yīng)用最簡單。

2.1.1 基礎(chǔ)原理

該控制方式是利用芯片內(nèi)部半導(dǎo)體工作在放大狀態(tài)，來吸收輸入電壓到電池兩端的壓差進行充電電流的調(diào)節(jié)和邏輯控制，芯片此時等效為電阻，不同的電池電壓情況下，等效電阻不同，實現(xiàn)恒流的控制。充電后期進入恒壓狀態(tài)時，也是逐步增加阻抗，達到恒壓但是電流減小的控制邏輯，類似于LDO的工作狀態(tài)。

2.1.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路如圖1所示，電路左側(cè)VIN為充電輸入端，芯片第5腳接到電池正極，第7腳進行充電狀態(tài)的檢測，第6腳進行充飽電檢測，第2腳通過調(diào)整電阻R2阻值大小可以調(diào)整恒流狀態(tài)的充電電流，芯片可以自主控制整個鋰離子電池的充電控制過程，電路中僅需要去判斷第6，7腳就可以確定是充電狀態(tài)還是在充飽狀態(tài)，電路應(yīng)用簡單。

圖1 線性充電控制電路圖

2.1.3 控制方式的優(yōu)缺點

優(yōu)點：控制簡單，不需要MCU介入控制充電過程，所以方案的程序量小。

缺點：因為是線性充電方式，所以芯片上面的功耗如下。

P=（適配器電壓-電池電壓）×充電電流

在輸入為5V的情況下，充電電流一般僅能設(shè)置在800mA以內(nèi)。其余能量以熱量損失掉，所以充電效率低，輸入電壓高的情況下，允許充電電流更小，并且芯片極易受高壓擊穿失效。

2.2 BUCK充電控制

該應(yīng)用方式因為使用了電感進行儲能，可以降低器件功率損失，可以提高充電電流和充電效率，所以在大充電電流場合應(yīng)用也逐步推廣開來。

2.2.1 基礎(chǔ)原理

該控制方式是芯片內(nèi)部控制電感與輸入的通斷時序進行，導(dǎo)通時，電流經(jīng)過電感流入電池，電感同時進行儲能，并形成一定分壓作用，在關(guān)閉時，由電感儲存的能量維持電流供給，形成穩(wěn)定的充電電流實現(xiàn)恒流功能，在接近充飽狀態(tài)控制充電電流的逐步減小達到恒壓控制的過程。

2.2.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路如圖2所示，芯片第1腳為適配器電源輸入，芯片第8腳為接電池端，芯片第3腳進行充電狀態(tài)的檢測，電阻Rserse可以調(diào)節(jié)電路恒流的電流值，芯片第7腳檢測電阻兩端的壓降進行電流檢測和控制，芯片的第5腳進行電感與電源輸入的切換控制，達到BUCK降壓目的。芯片可以自主控制整個鋰離子電池的充電控制過程，通過檢測第3腳的電平狀態(tài)，可以判斷出是否處于充飽狀態(tài)。

圖2 BUCK充電控制電路圖

2.2.3 控制方式的優(yōu)缺點

優(yōu)點：充電利用了電感儲能，所以充電效率高，可以達到90%以上，充電電流可以達到2.5A，并且芯片表面溫度控制在90℃以內(nèi)，輸入電壓可以達到20V。

缺點：電路相對復(fù)雜很多，電路中需要配大電流電感，芯片價格也昂貴很多，所以整體方案的成本相比線性會貴3～4倍。

3 新的充電管理技術(shù)

3.1 開關(guān)型控制的基礎(chǔ)原理

該控制方式是利用MCU的PWM信號控制MOS管的快速導(dǎo)通和截止，以此來調(diào)整充電電流的大小，并且通過線路中的電阻進行充電電流采樣，控制電流充電的過程。在MOS管導(dǎo)通時，大電流在MOS管阻抗上的功率損失很小，在MOS管截至?xí)r，MOS管沒有功率損失，所以整體電路的功耗很小?；A(chǔ)電路架構(gòu)參照圖3所示。

圖3 開關(guān)型電路基礎(chǔ)原型

當(dāng)充電MOS管導(dǎo)通時，可以理解阻抗非常低，適配器電壓被拉低到與電池電壓基本持平，而關(guān)閉MOS管時，阻抗無窮大，適配器則變?yōu)榭蛰d狀態(tài)，無電流通過MOS管本體。通過芯片的PWM信號快速開關(guān)MOS管，適配器因為輸出的濾波電容很大，適配器輸出電壓在短時間內(nèi)不會被徹拉低到與電池電壓接近，而且提供了所需的充電電流，最終輸入電壓會平衡在5V左右，此時通過軟件對電路中的采樣電阻進行濾波處理取到真實的充電電流，在根據(jù)采樣到的電流大小進行PWM占空比大小的調(diào)節(jié)，最終可以穩(wěn)定在所需的電流值。在結(jié)合電池電壓檢測，進入恒壓狀態(tài)后，逐漸減小充電電流達到恒壓，直至充飽。

3.2 充電控制方案的技術(shù)實現(xiàn)

在充電控制的設(shè)計中，硬件設(shè)計時，要考慮系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，軟件的規(guī)劃和編寫對系統(tǒng)的運行穩(wěn)定也至關(guān)重要。

3.2.1 硬件實現(xiàn)電路

驅(qū)動電路如圖4所示，R2和R3驅(qū)動三極管Q2，DC-IN信號接到單片機I/O口并且置為輸入內(nèi)部上拉，當(dāng)適配器接入時，Q2導(dǎo)通，DC-IN信號為低電平，整機喚醒進入充電狀態(tài)，從而控制電路進入充電狀態(tài)。當(dāng)適配器移除，Q2截至，DC-IN的信號為高電平，程序進入休眠模式，以節(jié)省電池功耗。

圖4 開關(guān)型控制電路

MCU通過第2腳的PWM信號驅(qū)動三極管Q3的導(dǎo)通截止，從而驅(qū)動MOS管Q1的導(dǎo)通截至，當(dāng)PWM信號為高電平時，三極管Q3導(dǎo)通，R6的下端為0.2V，從而將Q1的G極電壓拉低，MOS管Q1導(dǎo)通，電流從適配器流入電池，從電池負極流到網(wǎng)絡(luò)的T4點，經(jīng)過采樣電阻R16和R18到適配器負極。MCU通過第8腳采樣R16和R18兩端的壓降得到平均電流，R7和C4形成RC硬件濾波電路，到達單片機的AD口信號更為平滑。

通過采樣電阻R16和R18的電壓反饋進行PWM的占空比調(diào)節(jié)，實現(xiàn)正向反饋的控制環(huán)，從而達到恒流恒壓的控制效果。

3.2.2 軟件實現(xiàn)過程

MCU平常在休眠模式以節(jié)省功耗，當(dāng)適配器插入時，DC-IN信號為低電平，下降沿觸發(fā)MCU喚醒進入工作狀態(tài)，MCU判斷到DC-IN為穩(wěn)定的低電平信號，程序開始進入充電狀態(tài)的邏輯控制。

進入充電狀態(tài)后，會先判斷電池電壓是否＜ 3.0V，如果小于則進入涓流模式，該模式的充電PWM被設(shè)置在很小的一個值，充電電流為0.1C，可以保證電池的激活，也保證不會出現(xiàn)過放帶來的瞬間大電流沖擊，電芯受損。當(dāng)電池電壓＞3.0V時，則進入恒流工作狀態(tài)。

恒流工作狀態(tài)：當(dāng)電池電壓＜ 4.2V時，打開PWM，并進行充電電流檢測，當(dāng)判斷到充電電流小于設(shè)置的充電電流時，增加PWM的占空比，MOS管的導(dǎo)通時間增加，充電電流流過的時間變長，平均電流變大，最后達到預(yù)設(shè)值，PWM值穩(wěn)定。當(dāng)充電電流大于設(shè)置的充電電流時，減小PWM的占空比，MOS管導(dǎo)通時間減小，充電平均電流變小，最終達到設(shè)定電流。PWM也固定下來，小范圍調(diào)整，隨著充電的進行，電池電壓慢慢上升，充電電流會慢慢變大，PWM會自動調(diào)整變小，逐步重新平衡下來。當(dāng)電池電壓最終達到4.2V時，進入恒壓狀態(tài)。

恒壓工作狀態(tài)：進入恒壓狀態(tài)，MCU會判斷電池電壓是否大于4.2V，當(dāng)電池電壓超過時，就減小PWM的占空比值，此時充電電流也會同步下降，因為電池有內(nèi)阻，隨著充電電流的下降，判斷到的電池電壓也會下降，維持在4.2V，達到恒壓的目的。隨著充電的進行，電池電壓還會上升，MCU會重新調(diào)整PWM將電池電壓控制在所需的4.2V，當(dāng)充電電流減小到0.1C時，表示電池已經(jīng)充飽，進入充飽狀態(tài)。

充飽狀態(tài)：此時關(guān)閉充電的PWM信號，MOS管截至，此時須進行電池電壓的判斷，判斷到電池電壓下降到4.1V時，重新開啟恒流的充電過程。達到續(xù)沖的目的。

4 結(jié)論

該文詳細介紹了鋰離子電池充電的兩種常規(guī)控制方式：線性充電控制，BUCK充電控制，及芯片內(nèi)部工作的基礎(chǔ)原理和驅(qū)動電路，并詳解了對應(yīng)的優(yōu)缺點。也著重介紹了該文創(chuàng)新性的利用PWM快速開關(guān)控制的方式，詳細說明了基礎(chǔ)原理和硬件驅(qū)動電路和軟件控制過程。這種控制方式有以下幾個特點：1）因為鋰離子電池在整機中不僅需要負責(zé)充電也需要控制放電，所以方案都需要用到MCU進行充放電的指示和邏輯控制，該方式直接利用現(xiàn)成的MCU資源控制充電過程，不僅控制的靈活性更高，項目中使用到的芯片數(shù)量更少，所以成本比另外兩種方案更低。2）線性充電方案目前的充電電流大多控制在800mA以內(nèi)，BUCK充電方案目前大多支持從1A～2.5A的充電電流，開關(guān)型控制方式剛好可以填補從線性充電到BUCK充電方案的空白區(qū)域，支持從0.6A～1.5A的充電電流設(shè)定范圍，在這個范圍內(nèi)具有非常好的性價比。3）相比于線性充電方案（充電電流800mA以下），因為MOS管只有在導(dǎo)通時有導(dǎo)通損耗，不導(dǎo)通是沒有功耗的，所以充電效率高，發(fā)熱量更?。ㄖ饕l(fā)熱在MOS管電平驅(qū)動的上升和下降過程），所以充電電流可以做的更大，可以達到1.5A。4）相比于BUCK充電方案，不使用電感等感性器件，電路更簡單，對輸入端的電壓波動有更高的耐受性，可靠性更高。5）開關(guān)型的充電控制方式需要監(jiān)控電池電壓變化并且控制充電過程中的電流變化，所以對鋰離子電池特性需要更深的了解，軟件控制過程較為復(fù)雜。