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雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的快速智能充電設計

2019-07-07
關鍵詞: 鋰電池 SMBus

  目前,,快速充電方案被廣泛應用在手機市場中。主流方案有基于處理器廠家高通平臺的QC2.0/3.0,,和即將應用的4.0標準,,MTK的Pump Express標準,國產(chǎn)手機廠商的閃充,。QC快充方案使用了高壓輸入的提高功率,,可以在提高輸入功率的同時使用低電流的線纜。

  閃充技術需要定制大電流的線纜配合,,共同點都是應用在單節(jié)鋰電池的產(chǎn)品上并不能應用在雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的快速充電場合,。雙節(jié)串聯(lián)的鋰電池的典型滿充電壓達到8.4-8.8V,應用在對講機,、 POS機等終端產(chǎn)品上,。 TI針對多節(jié)電池的充電方案產(chǎn)品十分豐富,BQ24725A就是一款支持大電流的支持SMBus通信的充電控制器,。BQ24725A輸出電壓支持到最高19.2V,,充電電流最大支持到8A以上,,輸出電壓精度控制達到0.5%。

  使用類似BQ4725A這類集成的充電管理芯片方案對鋰電池充電其實十分簡單,。鋰電池直接連接到充電控制芯片BQ24725A的BAT管腳上,,配置充電控制芯片的Charge Voltge,Charge Current,,以及保護功能的Input Current Limit,,使能充電功能即可。Charge Voltage(VCHG)是電芯的最大滿充電壓,,Charge Current (ICHG) 是電芯允許的最大充電電流,。典型的鋰電池充電特性如下圖所示,分為CC(Constant current)和CV(Constant Voltage) 兩個階段,。CC階段恒定以最大充電電流持續(xù)對電池進行充電,,此時單位時間充入電池的電量是恒定的Q=ICHG*T。隨著電池充入電量越來越多,,電池電壓會上升,,當電壓上升到最大滿充電壓時候,充電芯片將控制輸出電壓為恒定的最大滿充電壓,,此時電流開始逐漸減小,,充入電量的增加速度慢慢減慢,總充入電量仍然在增加,。直到電流減小到截止電流點,,充電芯片停止充電,鋰電池達到充滿狀態(tài),。

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  基于這個管理過程,,使用充電芯片BQ24725A對一塊對講機電池(滿充電壓8.8V)進行充電,并記錄下充電過程中的VCHG, ICHG和VCELL(電芯側(cè)的電壓),。下圖所示為基于橫坐標的充電時間(分鐘)對應的各個參數(shù)的變化趨勢,,可以看到在不到第五分鐘,VCHG就達到最大值,,ICHG就從峰值的4A電流開始下降,,經(jīng)歷了從CC區(qū)間到CV區(qū)間的切換。最大充電速率的CC階段4A充電持續(xù)時間很短,,可以預料,,如果要對這塊電池完全充滿,CV區(qū)間將耗費很長的時間,。

  通過對充電曲線的分析會發(fā)現(xiàn),,充電管理芯片的輸出電壓VCHG和電芯的電壓VCELL之間存在壓差,導致VCHG達到最大電壓8.8V時候,,VCELL還沒有達到8.0V,,這部分的壓差可能是充電端到電芯端的阻抗導致的,,比如充電器PCB,電池保護板阻抗,。另外在對講機行業(yè)普遍使用可插拔的電池,,電池分離充電時候,觸點和充電座彈片的接觸情況也會導致阻抗不確定性,。

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  通過引入電量計芯片配合充電芯片的控制,可以彌補VCHG到VCELL的電壓差,。電量計芯片除了提供電量功能,,還采集了電池的電芯電壓參數(shù),通過實時訪問電量計芯片中的電芯電壓VCELL采樣結(jié)果,,根據(jù)VCELL電壓是否達到最大滿充電壓來決定是否提高充電芯片的VCHG,,維持電池的CC充電狀態(tài)。直到VCELL達到最大滿充電壓8.8V進入CV區(qū)間,,停止提高VCHG,,并根據(jù)VCELL的繼續(xù)升高趨勢而調(diào)低VCHG,維持VCELL在8.8V的最大電壓,,保護電池,。通過讀取VCELL電壓配合變化的VCHG可以達到快速智能的充電管理過程。

  配合電量計芯片BQ28Z610,,在BQ24725A的評估版上對雙節(jié)8.8V的對講機電池的第二次充電測試,,記錄曲線如下圖所示,CC階段4A持續(xù)充電時間達到41分鐘,,遠遠長過前一次測試的普通的充電方案,。

  基于兩種充電方案的測試結(jié)果對比,利用BQ28z610的電量計芯片和雙節(jié)電池的充電控制芯片BQ24725A實現(xiàn)了對雙節(jié)鋰電池的快速智能充電,。BQ28z610還可以提供電芯的實時電壓,,溫度,電流等參數(shù)給管理充電控制的MCU,, MCU根據(jù)實時參數(shù)來調(diào)整BQ24725A的充電電壓,,電流,實現(xiàn)實時安全的閉環(huán)調(diào)整,,既能保證電芯的安全充電,,又可以最大程度的延長恒流充電的時間,實現(xiàn)快速充電,。


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