利用智能充电管理克服便携式设备所面临挑战 电子信息, 移动电源, 电子设备, 电动汽车, 化合物

520503

电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。锂离子电池的机理一般性分析认为，锂离子电池作为一种化学电源，指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。锂离子电池是物理学、材料科学和化学等学科研究的结晶。锂离子电池所涉及的物理机理，目前是以固体物理中嵌入物理来解释的，嵌入(intercalation)是指可移动的客体粒子(分子、原子、离子)可逆地嵌入到具有合适尺寸的主体晶格中的网络空格点上。电子输运锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物。电子只能在正极和负极材料中运动。已知的嵌入化合物种类繁多，客体粒子可以是分子、原子或离子。在嵌入离子的同时，要求由主体结构作电荷补偿，以维持电中性。电荷补偿可以由主体材料能带结构的改变来实现，电导率在嵌入前后会有变化。锂离子电池电极材料可稳定存在于空气中与其这一特性息息相关。嵌入化合物只有满足结构改变可逆并能以结构弥补电荷变化才能作为锂离子电池电极材料。
本文将讨论有关锂离子电池方面的一些潜在发展趋势，并介绍便携式产品设计师如何利用受微控制器(MCU)控制的脉冲宽度调制(PWM)或者基于单独的集成式电池充电管理控制器的解决方案设计灵活的锂离子电池充电管理系统来克服这些挑战。
采用锂离子电池的便携式设备供电设计挑战
采用锂离子电池的便携式设备供电设计面临的挑战包括但不限于：供电安全，电池化学特性，可用空间和所需的性能。便携式产品设计师在决策时必须倾其所有的知识和经验来克服每个可能出现难题。对于可重复充电的锂离子电池来说，还必须考虑充电/放电速率、寿命周期、维护和充电算法。为了实现每次充电后电池容量的最大化，充电电压调节精度非常重要。如图1所示，欠充0.6%的电池会导致5%的容量损失。但是又不能过充电，因为这是极其危险的。某些电池生产商，例如日本松下公司，建议将4.2V的电池充电到4.1V,以延长其在电能备份应用中的寿命。


图1：锂离子电池的容量损失与欠充电压的关系。
产品所面临的挑战通常与面市时间、总体系统成本以及可靠性有关。其中面市时间对绝大多数消费类产品来说是至关重要的，因为产品的寿命周期很短。在如今快速发展的世界里对市场的快速反应能力很重要。从概念到形成最终产品的时间越短，意味着消耗的资源越少，并能通过节约设计时间来降低成本。不过，通过提高集成度来节省空间的解决方案通常会比分离元器件解决方案的成本高一些，但也并非都是如此。因此在设计产品时可靠性应始终放在首要位置，如果性能可以折中的话。
MCU+PWM控制器充电管理系统
MCU(Micro Control Unit)中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。微控制器在经过这几年不断地研究，发展，历经4位，8位，到现在的16位及32位，甚至64位。产品的成熟度，以及投入厂商之多，应用范围之广，真可谓之空前。目前在国外大厂因开发较早，产品线广，所以技术领先，而本土厂商则以多功能为产品导向取胜。但不可讳言的，本土厂商的价格战是对外商造成威胁的关键因素。
如果产品开发中对灵活度比较侧重，在项目开发过程中可能作出修改，那么对于这样的应用来说，采用由MCU控制的PWM控制器电池充电管理系统是非常理想的。


图2：典型的基于MCU+PWM控制器的多电池单元多化学材料的充电管理应用电路。
图2给出了采用典型的单端初级电感转换器(SEPIC)拓扑结构的多个电池单元、多种化学成分的充电管理系统，该系统包含了MCP1631高压PWM(零件号MCP1631HV)和PIC12F683通用MCU.一些先进的MCU可以提供更多的GPIO和ADC,从而增加检测和输出状态。SEPIC采用的是一种开关型拓扑，因而在输入和输出电压差较大且电流较大时可以提供更高的效率和更低的功耗。例如，当工作在输入电压为9V、VBAT为4V、ICHARGE为1A时，常规的线性解决方案的功耗是(9V-4V)x1A=5W,然而效率为90%的开关解决方案在同样条件下功耗仅为4Wx(0.1/0.9)=.44W.对1/2瓦进行散热显然要比对5瓦进行散热容易得多。下列等式给出了上述例子中线性和开关电源的计算方法。


图3就是受MCU控制的PWM控制器采用恒流/恒压(CC-CV)算法以1A充电速率给单节1700mA锂离子电池充电时的典型充电曲线。算法开始的前提条件是电池电压是否低于预处理门限。一旦超过了这个预处理门限，系统就进入恒流充电阶段，直到检测到稳定的电压。本例中充电结束值为200毫安。接下来系统继续监测电池电压，并在电压低于再充电门限时对电池进行放电，从而有效限制充放电循环的次数，延长电池的使用寿命，同时使电压保持在安全水平。


图3：典型的具有CC/CV算法充电曲线的MCU+PWM控制器。