采用单片机的锂离子电池仿真电路

日期:2012-10-31

  作者:Mark Pallones,高级单片机架构部资深应用工程师,Microchip Technology

  移动电话、笔记本电脑和PDA等电池供电的便携式消费类媒体设备的发展日新月异,复杂高级的功能不断融入到产品的小巧外形中,随之而来的是对电池电量的要求不断提高。因此,电池供电设备引发了对高能量密度电池的需求,进而推动了锂离子电池的普及。

  锂离子电池特性

  除了优异的能量密度之外,锂离子电池的自放电率也很低。这种优秀的自放电特性延长了电池的寿命,使得电池在投入使用之初几乎为满电量。此外,锂离子电池没有记忆效应,这意味着不需要定期进行彻底充放电便可保持容量。

  除了这些有吸引力的特性外,锂离子电池也有一些缺点。例如,与其他化学电池相比,锂离子电池的内部电阻较高,不能用于高放电电流应用。锂离子电池还不能承受过度使用。过度充电可能导致电池快速分解,使电池性能永久性降低。这正是锂离子电池组采用内部保护电路的原因。该电路可防止锂离子电池在正常工作范围之外工作。但是,该保护电路应被视为最后一道防线,正常工作期间,电池充电器不应使用此电路。有关锂离子电池电压充电范围的详细说明,请参见图1。

  图1:锂离子电池电压范围

  充电要求

  正确地为锂离子电池充电涉及到某些充电算法和精度要求。为了说明此算法和精度,我们从电量深度耗尽的电池开始介绍。电量深度耗尽的电池两端的电压低于预充电电压阈值。该阈值通常是电池满充电压的67%。锂离子电池的满充电压为4.2V。在该预充电阶段,电池充电器应施加典型值最大为0.1 C(快速充电电流的10%)的恒流(CC),直至电池两端的电压达到其预充电电压阈值。这一定程度地恢复了电量深度耗尽的电池的电荷,并使其准备好进行接下来的快速充电操作。当电池仍处于预充电阶段时,强制施加快速充电电流很可能使电池进入不可逆的短路状态。

  当电池两端的电压升至预充电电压阈值以上时,充电电流将从最初的低电流变为数值较高的恒流,以执行快速充电。锂离子电池的快速充电电流应小于1.0C。应从电池制造商处获得建议的快速充电电流值,以免降低电池性能或缩短其使用寿命。快速充电阶段将持续至达到电池满充电压为止。

  快速充电结束后,开始恒压(CV)阶段。在此阶段,电池充电器的输出电压保持在4.2V,充电电流将减小。电池充电器的电压应保持稳定,其波动范围应小于+- 1%。电压小幅降低会导致容量大幅减少,电压小幅升高将缩短其使用寿命。不建议持续对锂离子电池进行涓流充电。当充电电流低于0.07C时,应终止充电。为避免电池因过度充电而损坏,这是非常重要的。图2显示了锂离子电池的典型充电曲线。

  图2:锂离子电池充电曲线

  锂离子电池充电器

  除了这些充电要求之外,高级锂离子电池充电器还采用特别功能来提高充电性能并确保电池安全。图3显示了高级锂离子电池充电器的示例。此充电器采用了Microchip Technology的MCP73113锂离子电池充电管理控制器。该充电管理控制器增加了安全定时器功能,可实现一种备用辅助安全控制。如果电池电压未达到预充电电压阈值,或电池电压未在指定时间内达到满充电压,充电周期将终止。此功能非常重要,因为在电池电压不升高的情况下连续充电可能导致电池发热、爆炸或起火。除了此安全定时器,MCP73113控制器还具有其他安全保护机制。包括热关断保护、输入过压保护、反向放电保护和电池短路保护。

  图3:锂离子电池充电器

  在某些应用中,锂离子电池必须留在充电器中以保持随时充电。在此设置中,充电器应持续对因电池自放电和内部保护电路的功耗而导致的少量放电进行补偿。涓流充电可对这种少量放电进行补偿,从而使电池保持满电。但是,锂离子电池充电器的涓流充电模式在满电时不可用。可使用自动再充电功能来代替涓流充电。如果电压降至再充电阈值以下,则会开始另一个充电周期,并再次向电池提供电流。

  锂离子电池充电器的系统复杂且精确。必须了解锂离子电池的充电特性和应用要求才能设计出合适的电池充电器。此外,电池充电器应经过彻底的实际测试,以证明其性能和可靠性,这一点也同样重要。

  选择负载

  测试锂离子电池充电器最现实的方法是使用实际电池。但使用实际电池测试充电器很耗时,也不太方便。由于电池需要一定的充电时间,测试时间可能需要一个多小时。充电时间会根据充电器采用的具体充电模式发生变化,即快速充电、慢速充电或是两者之间的某种模式。不管怎样,由于电池最大充电速率的限制,都无法加速充电过程。如果需要重复测试,则必须使电池完全放电,否则必须提供放电程度完全一致的电池。

  为了简化测试过程,最好选择可以模拟锂离子电池充电特性的负载类型。电子负载常用于采用恒流模式(CCM)的电源测试,恒压模式(CVM)功能也可用于执行此任务。但是,具有此功能的电子负载通常很昂贵,并需要通过GPIB或RS232接口进行编程,尤其是在CVM下连续步进控制电压以及从CVM切换为CCM时。为了测试充电器的直流响应和动态稳定性,这些模拟电池动态特性的连续转换是非常重要的。否则,测试可能只会验证充电器本身的V-I(电压-电流)限制。考虑到以上缺点,模拟锂离子电池的最佳选择是使用经济高效但却实用的专用锂离子电池仿真电路。

  电池仿真电路

  图4中的电路模拟了锂离子电池。该电路的主要元件是高性能PIC18F87K90单片机(MCU)。该MCU非常适合于此类应用,因为它包含的外设足以设计灵活、实用且易用的锂离子电池仿真电路。配合用于检测电流和电压的晶体管Q1及电阻,该电路可以像电池一样拉电压和灌电流。

  图4:基于单片机的电池仿真电路的简化图

  如前文所述,以恒定电流对锂离子电池充电时,电池两端的电压会持续增大,直至达到4.2V。为了模拟锂离子电池的行为,MCU会控制晶体管Q1灌入适量的电流并设置充电器输出两端的充电电压。MCU的片上高速比较器是用于控制Q1的中心器件。它用于将检测电阻R1(R1也可用来模拟锂离子电池的内部电阻)两端的电压与CVREF模块设置的给定参考电压进行比较。当R1两端的电压达到参考电压时,比较器输出会驱动Q1的基极,并根据需要翻转,以达到所需的基极电流。为了使充电电压在从一个充电阶段切换到另一个充电阶段时持续增加,片上模数转换器(ADC)模块会监视充电电压,并持续调整参考电压,直至充电电压达到4.2V。

  在监视充电电流和充电电压时,ADC模块会对R1和R3两端的电压进行采样。这些采样电压也会由ADC模块以高精度进行转换。充电电压和电流显示在LCD上。这样,用户可监视充电电流是否正确地从预充电阶段转换到快速充电阶段。同样,用户可以监视充电电压在恒压阶段到充电终止期间是否在规定范围内。

  如果需要在固定电压工作点测试充电器,则可以手动调节充电电压以观测充电电流。使用MCU的CTMU模块,可通过电容式触摸键盘设置所需充电电压。

  某些测试需要定时,以验证电池充电器的一些功能。例如MCP73113充电管理控制器的安全定时器功能。该控制器的实时时钟/日历模块可用作定时器,以监视充电周期终止前经过的时间。

  对于生产设置,可将PIC18F87K90 MCU的串行通信接口连接到计算机,以使用测试程序验证电池充电器。命令设置可包含在MCU的固件命令库中,从而为用户提供简单的测试程序开发方法。仿真电路也是用于对故障器件进行故障排除以诊断客户退货的强大工具。可手动设置电池仿真器电路,从而允许设计人员在调试器件时轻松重现故障情况。

  这种锂离子电池仿真电路还可用于测试其他化学电池的充电器。然而,这样的仿真电路还是有一些局限性,比如不能模拟电池的温度特性。如果某种化学电池的电池充电器需要检测电池的温度才能确定电池是否充满(例如ΔT/dt充电方法),则不能使用这种电池仿真电路进行测试。例如,如果某种镍氢(NiMh)电池充电器采用ΔT/dt充电方法,则不能使用这种电池仿真电路。相反,如果NiMh电池充电器采用涓流或ΔV/dt充电方法,则可将电池仿真电路配置为支持这种充电类型。

  另一个限制因素是晶体管Q1的功耗。如果对于某些化学电池,充电器的最大输出功率超出了Q1的最大功率,则应使用输出功率更高的晶体管来代替Q1,以支持测试。

  可将多种配置保存到PIC18F87K90 MCU的内部EEPROM中。但是,在重新配置电池仿真电路之前,应先了解电池的首选充电方式以及充电电压/电流限制。有关电池选择的详细信息,请参见http://www.microchip.com/batteryguide

  结论

  锂离子电池充电器需要彻底的实际测试来证明其性能和可靠性。测试锂离子电池充电器最现实的方法是使用实际电池。但使用实际电池测试充电器很耗时,也不太方便。最佳替代方案是使用专用的电池仿真电路来模拟锂离子电池的充电特性。利用PIC18F87K90等MCU,设计人员可创建实际、灵活和功能全面的锂离子电池仿真器电路,来进行快速简单的充电器测试。

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