鋰電池充電器測試小方案

鋰離子(Li+)電池比其它化學類型的電池更脆弱，對于違規(guī)操作具有非常小的容限。因此，鋰電池充電電路比較復雜，要求高精度電流、電壓設置。如果無法滿足這些精度要求，充電器可能無法將電池完全充滿，進而降低電池壽命，或影響電池性能。

　　鑒于對Li+電池充電器的這些要求，對充電器設計進行完全測試并在整個工作范圍內(nèi)進行分段測試非常重要。然而，采用常規(guī)負載(即Li+電池)測試Li+電池充電器將非常耗時，而且在實驗室和生產(chǎn)環(huán)境中也難于實現(xiàn)。為了簡化測試過程，本文給出了一個電池仿真電路，可加快測試速度，在不帶實際電池的情況下實現(xiàn)對鋰離子電池充電器的測試。

　　CC-CV充電

　　鋰離子電池充電過程的第一階段需要中等精度的恒流(CC)充電，然后在第二階段過渡到高精度恒壓(CV)充電。

　　圖1為用于鋰離子電池充電器的CC-CV集成電路(MAX1737)的V-I特性曲線。這種類型的IC是消費類產(chǎn)品中所有鋰離子電池充電器的核心。圖中可清楚

　　看出CC (2.6V至4.2V電池電壓)和CV (4.2V)區(qū)域。

　　圖1. MAX1737的V-I曲線是Li+電池充電器的標準特性曲線

　　電池低于2.6V時，需要采用不同的充電技術(shù)。如果試圖對放電至2.6V以下的電池充電，充電器須提供一個較低的充電電流(“調(diào)理電流”)，將電池電壓充至2.6V。這是鋰離子電池過放電時所必須采取的安全機制。VBATT 2.6V時強行進行快速充電，會使電池進入不可恢復的短路狀態(tài)。

　　CC向CV階段的過渡點的臨界容差為± 40mV。之所以要求如此嚴格的容差，是因為如果CV過低，電池將無法完全充滿;而CV過高，則會縮短電池的使用壽命。充電過程終止意味著檢測到電池達到滿電量，充電器必須斷開或關(guān)閉。在CV階段，當檢測到充電電流降至快充電流或最大充電電流的一定比例(通常 10%)時終止充電。

　　Li+電池充電器參數(shù)測試

　　Li+電池充電器設計通常包括兩個基本部分：數(shù)字部分(控制狀態(tài)機)和模擬部分，模擬部分包括帶有高精度(>1%)基準、可精確控制的電流/電壓源。對鋰離子充電器(不僅指IC)進行完全測試是一項非常棘手且耗費時間的工作，不僅僅限于對電流或電壓值進行檢驗。

　　測試時，應該在整個工作范圍對充電器進行分段檢測：包括CC階段、從CC到CV的切換、充電終止等。如上所述，測試的理想情況是采用常規(guī)充電器的負載：即Li+電池。然而，由于充電過程需要一小時甚至更長時間，使用鋰電池進行測試非常耗時。根據(jù)具體測試條件的不同：例如大容量電池+慢速充電，小容量電池+快速充電以及其它可能組合，測試時間也不盡相同。

　　此外，充電過程無法在保證不損壞電池的前提下提高充電電流，因為充電電流受電池最大充電速率(即快速充電電流)的制約。對于消費類產(chǎn)品常用的電池，很少規(guī)定電流大于1C (在1小時內(nèi)將電池完全放電的電流)。因此，大多數(shù)情況下完成整個充電周期所需要的時間往往超過兩小時。如果需要重復測試，則需要將電池完全放電 — 這一過程僅僅比充電稍微短一些?；蛘?，必須能夠隨時備有完全放電的電池。

　　另外可以使用一個模擬的理想負載替代真實電池進行負載測試。仿真時，應驗證電路的直流響應和動態(tài)穩(wěn)定性。然而，使用功率測試所用的標準負載進行電池仿真非常困難。與大多數(shù)電源測試使用的負載不同，電池不能簡單地當作電阻或固定地吸入電流。如上所述，必須在整個工作范圍內(nèi)進行分段測試。以下介紹的Li+充電器測試電路完全滿足這些要求。

　　選擇電池模型負載

　　我們先討論兩個必須考慮但最終放棄的建模方法。電池負載建模的方法之一是：使用一個具有源出(放電)和吸入(充電)電流能力的電壓源與代表電池內(nèi)阻的電阻串聯(lián)。由于Li+電池要求精確控制終止電壓和充電電流，目前所有Li+充電器實際上是穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換器。

　　此外，由于穩(wěn)壓電源變換器(充電器)的穩(wěn)定性取決于負載(電池)的動態(tài)特性，因此必須選擇一個與模型非常相似的負載。否則，測試只能驗證充電器本身的V-I特性。

　　如果只是進行一次性測試，可以使用并聯(lián)型穩(wěn)壓器與電阻串聯(lián)，這足以模擬電池的內(nèi)阻，并且，這一簡單的電池模型完全可以滿足測試要求。這種方法的優(yōu)勢是由充電器本身供電。然而，更嚴格的測試需要更精確的模型。該模型采用內(nèi)部電壓源，電壓值是充電過程中供給電池的總電荷的函數(shù)。

　　用恒流源對電池充電時電壓將不斷變化，以一定的正斜率上升。這是由于放電和其它電池內(nèi)部化學變化過程中，電池正極周圍累積的極化離子逐漸減少。因此，充電器的工作點取決于電池連接時間的長短，以及電池的工作歷史。用大多數(shù)電子實驗室能夠找到的通用器件構(gòu)建負載，以模擬這一復雜負載的模型很困難。

　　需要經(jīng)常對充電電路進行測試，或必須詳細描述電路特性時，準確模擬充電過程的電池非常有用。模擬過程需要連續(xù)掃描充電器的所有直流工作點。模擬電路還要顯示結(jié)果，使操作人員可以查找問題、故障和干擾。如果模擬電路能夠提供電池電壓輸出和信號，這些結(jié)果可以直接作為示波器信號。測試速度可以加快(從幾小時到數(shù)十秒)，并可根據(jù)需要進行多次反復，比用真正的電池測試更方便。然而，測試速度加快后對確定充電電源的熱效應不利。因此，可能需要額外的長時間測試，以便與充電電源和調(diào)節(jié)電路的熱時間常數(shù)相吻合。