便攜式電子裝置電池的充電管理

4 BQ2000的工作原理

Ni-Cd，Ni-MH及Li-Ion電池需要精確控制最大化學(xué)電池容量，又要防止過量充電，因?yàn)?，過量充電會(huì)減小電池的使用壽命，而且會(huì)對(duì)終端設(shè)備造成物理傷害。針對(duì)這種情況，BQ2000是這樣做的，首先由振蕩器和內(nèi)部振蕩器共同作用到時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，用來控制數(shù)／模轉(zhuǎn)換、－ΔV運(yùn)算器及其它有關(guān)單元電路，并使之同步工作。對(duì)于電池充電電壓的采樣，BQ2000在瞬間中斷充電電流期間進(jìn)行采樣，以求采樣的精確。采樣電壓從腳4（BAT）進(jìn)入電路內(nèi)部，經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換后送入－ΔV運(yùn)算器處理。并將運(yùn)算結(jié)果送入充電控制單元，隨時(shí)控制充電過程，經(jīng)每秒成千上萬次采樣、運(yùn)算、控制，使其達(dá)到精確控制的目的。

在充電初始階段，BQ2000通過監(jiān)視電池的電壓來檢測電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)，一旦確定了化學(xué)結(jié)構(gòu)，立即用適當(dāng)?shù)乃惴ù_定符合該化學(xué)結(jié)構(gòu)的控制方法。這個(gè)過程排除了欠充電和過充電情況發(fā)生。BQ2000使用的基本充電方法，視電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)而異。對(duì)于Ni-Cd和Ni-MH電池而言為峰值終結(jié)法，而對(duì)Li-Ion電池來說卻是最小電流法。為了充電安全，電路內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)可供用戶編程的充電定時(shí)器。通過定時(shí)器也可以用最大時(shí)間法終結(jié)充電。

另外，為了確保安全，在電池的電壓和溫度未達(dá)到預(yù)先確定的或用戶規(guī)定的閾值之前，BQ2000禁止快速充電。對(duì)于Ni-MH電池來說，該集成電路還提供一種可選充電，即補(bǔ)足充電模式，以使電池容量達(dá)到最大。

BQ2000的集成高頻功率變換器可用做效率大于90％的開關(guān)型設(shè)計(jì)，此特性與精密內(nèi)部基準(zhǔn)一起使BQ2000成為低功耗高精度充電器的理想解決辦法。

5 充電過程分析

5.1 鎳鎘和鎳氫的充電管理

充電管理流程圖如圖3所示。在一個(gè)典型的充電循環(huán)中，鎳鎘和鎳氫電池首先必須進(jìn)行檢測以確定當(dāng)前電池的狀態(tài)，正常時(shí)方可進(jìn)行快速充電。若電池的溫度和電壓在允許的范圍之外，為了確保安全，BQ2000會(huì)自動(dòng)拒絕快速充電。當(dāng)電池溫度超過45℃時(shí)，充電被掛起，直到溫度降低。而當(dāng)電池溫度低于10℃或單節(jié)電池電壓低于1V的嚴(yán)重虧電電池，則要先進(jìn)行小電流充電，待溫度和電壓正常后，方可進(jìn)行快速充電。以上措施，可有效地延長電池的壽命。

圖3 充 電 管 理 流 程 圖

快速充電開始后，設(shè)置一段時(shí)間為PVD檢測封鎖時(shí)間，此段時(shí)間在本充電器中設(shè)計(jì)為300s，在此段時(shí)間內(nèi)，不檢測電壓負(fù)增量，這是由于給某些舊電池進(jìn)行充電的初期，電池端電壓不僅不升反而降低，從而導(dǎo)致充電器過早地停止工作。

PVD終結(jié)檢測方式對(duì)原先采用的－ΔV檢測方式作了一些改進(jìn)，－ΔV檢測時(shí)，當(dāng)單節(jié)電池的電壓比最高充電電壓降低12mV時(shí)快速充電才會(huì)終止，而PVD則將其改為4mV/每節(jié)，這樣就有效地避免了過充的發(fā)生。鎳基可充電電池通常采用不大于1C的恒流充電。對(duì)鎳基可再充電電池來說，快速充電可根據(jù)電壓或溫度來終結(jié)。圖4所示的是一種典型的電壓法，即峰值電壓檢測法?？梢钥闯觯陔姵氐碾妷悍逯禐槊抗?jié)0～4mV范圍時(shí)，快速充電終結(jié)。溫度終結(jié)法即電池溫度上升率，典型的比率為1℃/min，如圖5所示。

圖4 峰 值 電 壓 終 結(jié) 法

圖5 溫 度 變 化 率 終 結(jié) 法

充電速率為1C或0.5C時(shí)，快速充電終結(jié)后，電池有可能還沒有真正充足電，為了適應(yīng)電池的這種化學(xué)特性，本充電器具有補(bǔ)足充電程序，補(bǔ)足充電的平均充電速率定為快速充電速率的1/18。

在快速充電或補(bǔ)足充電完成之后，則轉(zhuǎn)入脈沖涓流充電，它的作用是補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量，此過程通常被稱為維護(hù)充電。充電速率一般定為快速充電的1/32。只要電池未取出，這種維護(hù)充電就一直進(jìn)行下去。

5.2 鋰離子電池的充電管理

與鎳鎘和鎳氫電池一樣，鋰離子電池在快速充電前也必須進(jìn)行電池狀態(tài)認(rèn)定和可能的狀態(tài)處理。但是，鋰離子電池的充電算法卻較為復(fù)雜一些，典型情況下，這種電池首先用1C或小于1C的恒定電流充電，一直充到其容量的70％～80％，然后改用恒壓充電，恒壓一般限定為每節(jié)4.2V。

鋰離子電池充電電壓嚴(yán)格要求的原因有兩個(gè)，其一，是為了把電池容量充到最大而不損壞電池，如果充電電壓低，雖然不損壞電池，但難于充至最大容量，降低了電池的放電容量；其二，如果充電電壓過高，在充電過程中可能損壞電池組內(nèi)部電壓保護(hù)器。