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(chǎng)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(jì)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(fù)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?；钚晕镔|(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(fù)極之間擴(kuò)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(fù)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(diǎn)：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(bào)廢，都不含有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。

缺點(diǎn)：1）安全性差，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。2）須保護(hù)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(gè)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(bǔ)償?shù)碾姵仉娏浚苊膺^放帶來的電池?fù)p傷進(jìn)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(gè)過程中，電池的電壓會(huì)不斷上升，直達(dá)電池電壓達(dá)到4.2V后進(jìn)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(shí)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?yàn)樾酒啥雀?，方案外圍電路?jiǎn)單，應(yīng)用最簡(jiǎn)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(jìn)行充電電流的調(diào)節(jié)和邏輯控制，芯片此時(shí)等效為電阻，不同的電池電壓情況下，等效電阻不同，實(shí)現(xiàn)恒流的控制。充電后期進(jìn)入恒壓狀態(tài)時(shí)，也是逐步增加阻抗，達(dá)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(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)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(jìn)行充電狀態(tài)的檢測(cè)，第6腳進(jìn)行充飽電檢測(cè)，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(gè)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(jiǎn)單。

圖1 線性充電控制電路圖

2.1.3 控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)

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

缺點(diǎn)：因?yàn)槭蔷€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?yàn)槭褂昧穗姼羞M(jìn)行儲(chǔ)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(chǎng)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(shí)序進(jìn)行，導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)過電感流入電池，電感同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能，并形成一定分壓作用，在關(guān)閉時(shí)，由電感儲(chǔ)存的能量維持電流供給，形成穩(wěn)定的充電電流實(shí)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(dá)到恒壓控制的過程。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)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(jìn)行充電狀態(tài)的檢測(cè)，電阻Rserse可以調(diào)節(jié)電路恒流的電流值，芯片第7腳檢測(cè)電阻兩端的壓降進(jìn)行電流檢測(cè)和控制，芯片的第5腳進(jìn)行電感與電源輸入的切換控制，達(dá)到BUCK降壓目的。芯片可以自主控制整個(gè)鋰離子電池的充電控制過程，通過檢測(cè)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(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：充電利用了電感儲(chǔ)能，所以充電效率高，可以達(dá)到90%以上，充電電流可以達(dá)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(dá)到20V。

缺點(diǎn)：電路相對(duì)復(fù)雜很多，電路中需要配大電流電感，芯片價(jià)格也昂貴很多，所以整體方案的成本相比線性會(huì)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(hào)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(jìn)行充電電流采樣，控制電流充電的過程。在MOS管導(dǎo)通時(shí)，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?qǐng)D3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(shí)，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(shí)，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(hào)快速開關(guān)MOS管，適配器因?yàn)檩敵龅臑V波電容很大，適配器輸出電壓在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)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(huì)平衡在5V左右，此時(shí)通過軟件對(duì)電路中的采樣電阻進(jìn)行濾波處理取到真實(shí)的充電電流，在根據(jù)采樣到的電流大小進(jìn)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(cè)，進(jìn)入恒壓狀態(tài)后，逐漸減小充電電流達(dá)到恒壓，直至充飽。

3.2 充電控制方案的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在充電控制的設(shè)計(jì)中，硬件設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定也至關(guān)重要。

3.2.1 硬件實(shí)現(xiàn)電路

驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，R2和R3驅(qū)動(dòng)三極管Q2，DC-IN信號(hào)接到單片機(jī)I/O口并且置為輸入內(nèi)部上拉，當(dāng)適配器接入時(shí)，Q2導(dǎo)通，DC-IN信號(hào)為低電平，整機(jī)喚醒進(jìn)入充電狀態(tài)，從而控制電路進(jìn)入充電狀態(tài)。當(dāng)適配器移除，Q2截至，DC-IN的信號(hào)為高電平，程序進(jìn)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(hào)驅(qū)動(dòng)三極管Q3的導(dǎo)通截止，從而驅(qū)動(dòng)MOS管Q1的導(dǎo)通截至，當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，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(fù)極流到網(wǎng)絡(luò)的T4點(diǎn)，經(jīng)過采樣電阻R16和R18到適配器負(fù)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(dá)單片機(jī)的AD口信號(hào)更為平滑。

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

3.2.2 軟件實(shí)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(shí)，DC-IN信號(hào)為低電平，下降沿觸發(fā)MCU喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)，MCU判斷到DC-IN為穩(wěn)定的低電平信號(hào)，程序開始進(jìn)入充電狀態(tài)的邏輯控制。

進(jìn)入充電狀態(tài)后，會(huì)先判斷電池電壓是否＜ 3.0V，如果小于則進(jìn)入涓流模式，該模式的充電PWM被設(shè)置在很小的一個(gè)值，充電電流為0.1C，可以保證電池的激活，也保證不會(huì)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(shí)，則進(jìn)入恒流工作狀態(tài)。

恒流工作狀態(tài)：當(dāng)電池電壓＜ 4.2V時(shí)，打開PWM，并進(jìn)行充電電流檢測(cè)，當(dāng)判斷到充電電流小于設(shè)置的充電電流時(shí)，增加PWM的占空比，MOS管的導(dǎo)通時(shí)間增加，充電電流流過的時(shí)間變長，平均電流變大，最后達(dá)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(shí)，減小PWM的占空比，MOS管導(dǎo)通時(shí)間減小，充電平均電流變小，最終達(dá)到設(shè)定電流。PWM也固定下來，小范圍調(diào)整，隨著充電的進(jìn)行，電池電壓慢慢上升，充電電流會(huì)慢慢變大，PWM會(huì)自動(dòng)調(diào)整變小，逐步重新平衡下來。當(dāng)電池電壓最終達(dá)到4.2V時(shí)，進(jìn)入恒壓狀態(tài)。

恒壓工作狀態(tài)：進(jìn)入恒壓狀態(tài)，MCU會(huì)判斷電池電壓是否大于4.2V，當(dāng)電池電壓超過時(shí)，就減小PWM的占空比值，此時(shí)充電電流也會(huì)同步下降，因?yàn)殡姵赜袃?nèi)阻，隨著充電電流的下降，判斷到的電池電壓也會(huì)下降，維持在4.2V，達(dá)到恒壓的目的。隨著充電的進(jìn)行，電池電壓還會(huì)上升，MCU會(huì)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(shí)，表示電池已經(jīng)充飽，進(jìn)入充飽狀態(tài)。

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

4 結(jié)論

該文詳細(xì)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(dòng)電路，并詳解了對(duì)應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。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(xì)說明了基礎(chǔ)原理和硬件驅(qū)動(dòng)電路和軟件控制過程。這種控制方式有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）因?yàn)殇囯x子電池在整機(jī)中不僅需要負(fù)責(zé)充電也需要控制放電，所以方案都需要用到MCU進(jìn)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(xiàng)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(bǔ)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(gè)范圍內(nèi)具有非常好的性價(jià)比。3）相比于線性充電方案（充電電流800mA以下），因?yàn)镸OS管只有在導(dǎo)通時(shí)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(dòng)的上升和下降過程），所以充電電流可以做的更大，可以達(dá)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(jiǎn)單，對(duì)輸入端的電壓波動(dòng)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(duì)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。