锂电池在线充放电管理电路的设计

 1 锂离子电池的特点

　　近几年来,便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。其中锂离子电池以高能量密度、高内阻、高电池电压、高循环次数、低自放电率等特 性,脱颖而出,迅速成为市场的主流。据统计,在笔记本电脑和移动电话领域,锂离子电池的市场占有率分别为80%和60%。根据日本矢野经济研究所的预测, 锂离子电池正以53.33%的年增长率快速取代传统的镍铬和镍氢电池市场。

　　虽然锂离子电池有以上所说的种种优点和良好的市场前景,但它对保护电路的要求比较高,在使用过程中应严格避免出现过充电、过放电现象,放电电流 也不宜过大,一般而言,放电速率不应大于0.2C。锂电池的充电过程如图1所示。在一个充电周期内,锂离子电池在充电开始之前需要检测电池的电压和温度, 判断是否可充。如果电池电压或温度超出制造商允许的范围,则禁止充电。允许充电的电压范围是:每节电池2.5V～4.2V;温度范围 是:2.5℃～50℃。在电池处于深放电的情况下,必须要求充电器具有预充过程,使电池满足快速充电的条件;然后,根据电池厂商推荐的快速充电速度,一般 为1C，充电器对电池进行恒流充电,电池电压缓慢上升;一旦电池电压达到所设定的终止电压(一般为4.1V或4.2V),恒流充电终止,充电电流快速衰 减,充电进入满充过程;在满充过程中,充电电流逐渐衰减,直到充电速率降低到C/10以下或满充时间超时时,转入顶端截止充电;顶端截止充电时,充电器以 极小的充电电流为电池补充能量。顶端截止充电一段时间后,关闭充电。

一般而言,锂离子电池的安全电压下限为2.4V,其所要求的误差精准度并不如充电电压精确,但亦必须配合适当的过放电延迟时间,以同时兼顾最大使用电量与 过放电保护的要求。当电池进行放电动作、电池电压低于过放电保护电压时,应当关闭电池放电,避免电池过放电现象发生。当放电电流过大,保护电路应该关闭电 池放电,执行过放电电流保护功能。至于保护电流的大小,可以根据负载的大小加以设定。值得注意的是:保护电路不能因为负载需要短时间的大电流而误动作,保 护电路必须提供不同的过放电电流保护延迟时间,提高工作的稳定性。

　　除此之外,整体锂离子电池组的保护功能还可以通过电池内部的安全阈作内压保护,外部电路的热敏电阻进行高温保护。

2 在线充放电管理的电路结构

　　由于锂离子电池对保护电路要求比较高,在设计充电和放电电路时,应该充分考虑到可能出现的各种情况,并加以保护,以确保电池安全工作。在实际设 计中,需要将锂离子电池应用在长期无人看守的仪器中,要求充放电管理电路可自动监测锂离子电池、外部供电以及负载的状态,并做出相应的动作,以确保负载长 期稳定地工作,锂电池安全有效地工作。选择MAXIM公司生产的锂离子充电管理芯片MAX1758和PHILIPS公司生产的低功耗单片机 P87LPC767来实现对锂离子电池的充电和放电管理,以及对电池工作状态的实时监测,完成外部供电电压和内部电池电压的实时切换。充放电管理电路的结 构如图2所示。


3 充电管理电路原理

　　图2所示电路的上半部分是用MAX1758构成的1～4节锂离子电池充电管理电路。MAX1758芯片内部电路包括:输入调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。

　　输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流,包括系统负载电流和充电电流。当检测到输入电流大于设定的限流门限时,通过降低充电电流可达到限制 输入电流的目的。因为系统工作时电源电流的变化范围较大,如果充电器没有输入电流检测功能,则输入电源(墙上适配器或其它直流电源)必须能够提供最大负载 电流与最大充电电流之和。这将使电源的成本增高、体积增大。而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求,同时也简化了输入电源的设计。图2中利 用MAX1758的CSSP引脚与CSSN引脚之间的外接电阻R1来检测输入电流,ISETIN引脚设置检测门限。需要注意的是:电阻R1上的压差使充电 器的功耗增大、效率降低。为减小压差,一般应选择较小的电阻值;但过小的阻值会使内部输入检流放大器的失调电压增大,从而降低电流检测精度。因此,应综合 考虑,选择适当的R1值。

　　电压检测电路可与电流检测电路分别对电池电压和充电电流进行调节、监测。最大充电电流由ISETOUT引脚的电压值确定,电池充电终止电压限定 为4.2V,通过VADJ引脚的外接分压电阻在4.0V～4.4V之间调节。电池节数由CELL引脚设置,CELL引脚接GND、浮空、接REF、接VL 分别表示电池节数为1节、2节、3节、4节。MAX1758的电压检测精度为±0.8%。电压检测和电流检测结果送入内部主控制器,主控制器通过驱动内部 MOSFET导通或断开以达到控制电流或限制电池电压的目的。

　　定时器和温度检测器为电池充电提供附加保护。由于充电效率达不到100%,充电时间限定值应留有余量。温度传感器应接在THM和GND之前,靠 近电池安装。温度传感器可选择具有负温度系数的热敏电阻,+25℃时阻值为10kΩ。Philips、Cornerstone传感器公司、Fenwall 电子公司均可提供适当的产品。MAX1758以1.2Hz的频率检测电池温度。

4 充电参数设置

4.1 电池终止电压设置

　　通过MAX1758的VADJ引脚外接分压电阻可以设置电池充电终止电压,分压电阻应选择阻值低于100kΩ、精度为1%以上的精密电阻。电池 充电终止电压与电池的化学特性和内部构造有关,具体参数由电池厂商提供。VADJ引脚的电压(VVADJ)与电池充电终止电压(VBATTR)、电池节数 (N)、基准电压(VREF)之间的关系由下式确定:

VVADJ=(9.5VBATTR/N)-(9.0×VREF)

4.2 充电电流设置

　　快充过程的充电电流由ISETOUT引脚的电压值(VIESTOUT)决定,该电压由连接在REF和GND之间的分压电阻调节。当ISETOUT引脚接REF时,电流为最大值(1.5A)。ICHG与VIESTOUT的关系式如下:

ICHG=1.5A×(VIESTOUT/VREF)

4.3 输入电流限制

　　输入限流门限IIN由ISETIN引脚的电压确定,根据下式可确定IIN的值。

IIN=IFSS(VISETIN/VREF)

式中: IFSS=0.1V/R1

4.4 选择电感

　　电感值与电流纹波的大小有关。选用较大的电感时电流纹波较小,但如果电感的物理尺寸相同时,电感值越大,通常电感的等效串联电阻和额定电流较 小。从总体指标考虑,电流纹波一般设置为平均充电电流的30%～50%。假设纹波电流与直流充电电流之比为LIR,则电感值由下式确定:

式中:fOSC为充电器内部DC/DC变换器的开关频率,为300kHz。电感额定电流应大于ICHG[1+LIR/2]。

4.5 充电时间设置

　　MAX1758内含4个定时时间设置功能,即预充、快充、满充、顶端截止充电时间。在TIMER1外接电容可设置预充、满充和顶端截止充电过程 的时间限制,在TIMER2上外接电容可设置快充时间限制。充电速率为1C时,典型充电时间设置为(TIMER1与TIMER2的外接电容均为1nF): 预充时间为7.5分钟、快充时间为90分钟、满充时间为90分钟、顶端终止充电时间为45分钟。

5 过充、过放保护

　　单片机P87LPC767的主要功能是实时监测外供电电压、电池电压、负载电压和电池温度,并根据监视参数的状态实现对电池过充、过放、过温、负载过流的保护,以及与主CPU进行参数交换。

　　P87LPC767有四个A/D转换接口,分别用于监测外供电电压、电池电压、负载电压和电池温度。工作时P87LPC767每20毫秒就对外 供电电压进行一次A/D转换,读取外供电电压值。一旦外供电电压低于设定值时,P87LPC767就打开功率MOSFET Q1,将负载供电切换到电池上,如图3。P87LPC767每秒钟检测一次电池电压、负载电压和电池温度,判断电池是否需要充电。若电池电压低于设定的 值,而外供电电压和温度都满足充电的条件,则打开MAX1758,对电池充电,补充电池能量。当电池给负载供电,电池电压低于安全放电的电压值(每节电池 电压低于2.4V)时,P87LPC767立刻将Q1关断,防止电池过放,并将负载、MAX1758等外围电路关闭,转入低功耗工作模式,以节省耗电,等 待外供电电压恢复正常时,再重新启动。如果检测到负载电压过低,会认为是过流引起的,也将立即关闭负载,转入低功耗工作模式,等待外部唤醒。这 样,P87LPC767可以实现电池以及负载电路的保护,使得仪器在外部供电电源不太稳定的环境下可以长期稳定地工作。