鋰離子電池的充電算法詳解！

鋰離子電池充電和系統(tǒng)控制架構(gòu)是最大化電池容量和最小化電池充電時(shí)間的重要部分。在本文中，我們首先討論鋰離子電池的充電算法，電池充電電壓，電池容量和電池壽命之間的權(quán)衡。我們還將討論電池充電系統(tǒng)與充電器的相互作用，例如電池充電故障定時(shí)器的結(jié)束，并描述動(dòng)態(tài)電源路徑管理（DPPM）技術(shù)。DPPM電池充電器為系統(tǒng)和充電器提供獨(dú)立的電源路徑，允許充分利用適配器的電源，同時(shí)最大限度地縮短電池充電時(shí)間。它還可以在為系統(tǒng)供電時(shí)防止系統(tǒng)崩潰并為放電的電池充電。

問：電池充電速度越快，電池壽命越短？

這是因?yàn)楫?dāng)充電速率為1C或更高時(shí)，額外的鋰離子從陽極變?yōu)榻饘黉?。由于金屬鋰是活性材料，它容易與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，并且鋰永久地?fù)p失。因此，電池充電率小于1C。

電池充電器和系統(tǒng)互動(dòng)的原理

電池充電輸出也為系統(tǒng)供電，因此架構(gòu)簡單，成本低。但是，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載連接到電池時(shí)，會出現(xiàn)許多問題，例如電池充電時(shí)間延遲，充電終止，故障安全定時(shí)器警告等。

在這種配置中，充電器的輸出電流I CHG在系統(tǒng)和充電器之間共享，而不僅僅是電池。I CHG是可由充電器控制的電流，充電器根據(jù)此電流確定是否充電。因此，充電器不能直接監(jiān)視和控制有效電池充電電流I BAT。

在預(yù)充電階段，當(dāng)電池單元電壓低于3.0V時(shí)，預(yù)充電電流通常是快速充電電流的10％。系統(tǒng)負(fù)載I SYS截取一些電流，有效充電電流變小。這不僅增加了電池的充電時(shí)間，而且如果在預(yù)充電定時(shí)器時(shí)段內(nèi)電池電壓沒有升至3V，則還可能導(dǎo)致預(yù)充電定時(shí)器錯(cuò)誤結(jié)束。這可能導(dǎo)致錯(cuò)誤預(yù)充電安全定時(shí)器警告，不是因?yàn)殡姵毓收?，而是因?yàn)轭A(yù)充電電流不足。系統(tǒng)電流可能大于預(yù)充電電流，因此電池不會充電而是放電。為解決此問題，系統(tǒng)必須處于關(guān)斷模式或低靜態(tài)電流待機(jī)模式，以便在預(yù)充電安全定時(shí)器周期內(nèi)將預(yù)充電電流充電至3.0V以上。類似地，一旦電池進(jìn)入快速充電階段，系統(tǒng)負(fù)載連續(xù)地中斷來自充電輸出的一些充電電流，增加電池的充電時(shí)間并終止高安全時(shí)間誤差。

關(guān)于動(dòng)態(tài)電源路徑管理（DPPM）電池充電器問題

要縮短電池充電時(shí)間并解決系統(tǒng)與電池充電器之間的交互，您應(yīng)該只將電池充電器輸出分配給電池充電。圖5是簡化的電源路徑管理電池充電器框圖。為了預(yù)調(diào)整系統(tǒng)總線電壓V OUT，采用MOSFET Q1或用作開關(guān)。這建立了從輸入到系統(tǒng)的直接路徑。MOSFET Q2完全用于控制電池充電器。電池和系統(tǒng)之間沒有進(jìn)一步的干擾。該電源架構(gòu)建立了兩條獨(dú)立的路徑，稱為電源路徑管理（PPM），用于系統(tǒng)電源和電池充電。專用電池充電路徑可以最大限度地縮短電池充電時(shí)間并完全消除故障安全定時(shí)器終止。例如，無論電池是打開還是關(guān)閉，MOSFET Q1都會將系統(tǒng)總線電壓調(diào)整為4.4V等設(shè)置，從而允許系統(tǒng)在為完全放電的電池充電時(shí)運(yùn)行。智能手機(jī)，PDA和MP3播放器等應(yīng)用必須能夠從輸入源（無論是否使用電池）操作設(shè)備，這需要電源路徑管理。

動(dòng)態(tài)電源路徑管理（DPPM）監(jiān)視系統(tǒng)總線電壓V OUT，以確定由于電流限制或輸入電源消除而導(dǎo)致的輸入功率損耗。當(dāng)用于系統(tǒng)和電池充電器所需要的電流比AC適配器或USB的可用的輸入電流時(shí)，連接到系統(tǒng)總線C 0的電容器將開始放電和下降，系統(tǒng)總線電壓。當(dāng)系統(tǒng)總線電壓降至預(yù)設(shè)的DPPM閾值時(shí)，電池充電控制系統(tǒng)通過降低電池充電電流來調(diào)節(jié)系統(tǒng)總線電壓。這是為了通過將系統(tǒng)和電池充電器所需的總電流與適配器的最大可用電流相匹配來防止總線電壓下降。當(dāng)系統(tǒng)獲得所需電流并且電池充有剩余電流時(shí)，DPPM控制器達(dá)到正常狀態(tài)。這最大化了適配器的可用功耗，并最大限度地縮短了電池充電時(shí)間。大多數(shù)系統(tǒng)負(fù)載都是非常動(dòng)態(tài)的，具有高脈動(dòng)電流。該系統(tǒng)的平均功率將是過度的設(shè)計(jì)如果根據(jù)電源的最大峰值功率適配器的設(shè)計(jì)比最大額定峰值功率系統(tǒng)和電池充電器少得多。DPPM控制技術(shù)允許用戶使用更便宜且額定功率更低的AC適配器為系統(tǒng)供電，同時(shí)為電池充電。

如果系統(tǒng)和電池充電器中的總電流超過AC適配器電流限制或USB電流限制，則連接到系統(tǒng)總線的電容器C 0將開始放電，系統(tǒng)總線電壓將開始下降。當(dāng)系統(tǒng)總線電壓降至DPPM引腳設(shè)置的標(biāo)稱閾值時(shí)，充電電流會降低以維持系統(tǒng)總線電壓，以防止因AC適配器過載而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。如果即使充電電流降至0A也不能保持系統(tǒng)總線電壓，電池將暫時(shí)開始放電并為系統(tǒng)供電以避免系統(tǒng)崩潰。

DPPM電壓閾值通常設(shè)計(jì)為小于OUT引腳上的指定電壓，以安全地操作系統(tǒng)。為了正確充電，需要在OUT引腳的系統(tǒng)電壓和DPPM閾值之間存在足夠的電壓差。為了最小化尺寸，必須將功率MOSFET集成到電池充電器中。熱控制回路用于降低充電電流，以防止硅溫度達(dá)到125°C或更高。每次充電電流因有效熱調(diào)節(jié)或有效DPPM而降低時(shí)，安全定時(shí)器會自動(dòng)調(diào)整以增加定時(shí)器的值，以防止故障安全定時(shí)器意外終止。此外，當(dāng)DPPM或熱調(diào)節(jié)環(huán)路有效時(shí)，抑制充電終止功能以防止錯(cuò)誤充電終止。

結(jié)論

增加高于1C的充電電流不是縮短電池充電時(shí)間的有效方法，而是縮短電池壽命。當(dāng)系統(tǒng)直接連接到電池時(shí)，電池的充電時(shí)間通常較長，因?yàn)橄到y(tǒng)截取來自電池充電器輸出的一部分充電電流，并且有效電池充電電流降低。DPPM通過允許電池充電器輸出專門用于電池充電來減少電池充電時(shí)間，并提供從輸入電源到系統(tǒng)和電池的單獨(dú)電源路徑，從而消除充電器和系統(tǒng)之間的相互作用。此外，系統(tǒng)可以在對完全放電或有缺陷的電池充電的同時(shí)進(jìn)行操作。