伏达学堂丨电源管理之电池充电基础篇

一套合理的电源管理系统是所有电子设备必不可少且十分重要的模块,它的好坏直接影响了系统是否能正常工作。而之所以它的重要性没有时常被大家提起,是因为一方面该领域发展已经十分成熟,另一方面大家对它的存在也已经习以为常。随着应用场景的不断变化,目前对电源管理系统提出的要求就是不断向更高功率密度及效率方向发展。这里不打算对电源管理这个宏大的系统进行介绍或者探讨其最新发展技术,只想简单介绍下小型移动设备中的电池管理系统及电池的一些基本概念做介绍,供初识的小伙伴们有个感性的认识。


一、应用对象及要求


03.jpg

                         图 1. 电池供电系统使用设备


l    个人消费产品:手机,耳机, Pad,音响,游戏机, PC

l    可穿戴设备:智能手表等

l    工业类: POS机,无人机,智能机器人,太阳能电池等

l    汽车:车载照明,行车记录仪等



从上图中可以看出,几乎任何一款小型移动电子设备都会使用电池供电,因此基本都会配有电池管理系统。

以我们经常使用的手机举例,从十几年前充满电池的时间需要一夜缩短至现在的不到 1 小时充满,极大的提升了客户的使用体验。又比如多年前发生的三星电池爆炸事件,不仅给该品牌形象带来极大的负面影响,同时也将客户置于危险之中,这是不可接受的,因此选用一套可靠,快速且安全的电池充电系统十分必要。


04.jpg

                       图 2. 国内头部手机充电时间图

 


05.jpg

               图3.电池管理方案要求(安全,快速,长待机)

 


l   安全性:热量管理,保证电池的循环使用寿命

l   充电:放空到充满的状态,快速充电,通用充电

l   放电:长时间放电,精准的电量测量


二、电池管理系统



电池管理(Battery management)包括:适配器(AC Adapter),DC-DC变换器,电源管理电路等。


06.jpg

                            图4.电池管理系统


电池充电时,终端和控制端进行通信,反馈给控制端所需要的功率信息,控制端将处理后的信息发送给充电端,然后进行相应的调压处理。通信是通过I2C或者SMBus进行。

注:I2C是一种双线通信协议,通信速度可达5Mbit/sSMBus基于I2C协议,主要是I2C协议和信号的子集,定义更加严格。

 

电池放电时,电池通过DC-DC转换器输出相应的电压,并且通过电源管理电路控制输出。控制端和电源管理电路通过SPII2C进行通信

注:SPI是一种同步串行通信协议,通信速率可达50Mbit/s.




三、锂电池介绍



3.1锂电池的优势


我们知道,电池发展线路是铅锂,相比较其他类型的电池,锂电池不仅较贵,同时还需要更复杂的管理系统,但是为什么目前广泛推广使用锂电池呢?或许我们可以从元素周期表中找到答案。


07.jpg

                          图5. 元素周期表



从表中可以看出,Li元素相较其他PbNi元素,具有以下优点:

1Li具有更高的能量密度,因此同样能量需求下,它可以做到更轻更薄的重量和体积,这对电子设备的小型化轻量化的发展来说,无疑起到了巨大的推动力。

2)超低的自放电率,降低了待机损耗,有效延长了待机时长。



3.2锂电池的容量


18650是大家熟悉且应用十分广泛的锂电池,从下图可以看出经过近二十年的发展,单节电池容量得到了很大的提升,从之前的1000mAh一直增长到了2010年的3000mAh,之后由于技术的受限而没有继续提升。对于不同电池容量的需求,我们可以通过多节电池的串并联来实现。


08.jpg

                       图6. 18650电池包




09.jpg

                   图7. 电池串并联容量计算




3.3锂电池的等效电路及放电速率


电池简化电路其实相当于1个大电容和其寄生电阻相串联,如图所示:


10.jpg


                     图8. 锂电池等效电路



蓄电池容量是用设定的电流把电池放电至设定的电压所经历的时间和该电流的乘积,而蓄电池的容量跟放电电流的大小有很大关系,放电电流的大小也决定了蓄电池放电的时长。通常蓄电池厂家在标注其蓄电池的额定容量C时必须标明其放电率。放电率(C-rate)是度量蓄电池放电快慢的放电参数,比如一组额定容量1100mAh蓄电池以1100mA电流放电,1h放电完毕,称为1C放电率。



      3.4锂电池阻抗


   锂电池的内阻与温度,电池容量和老化程度有很大关系,下图是阻抗与放电深度的关系图:


11.jpg


                       图9. 锂电池放电深度与阻抗关系


 DOD= 1-SOC

 DOD(Depth of Discharge), SOC(State of Charge)

 SOC=1 (Full charged battery)

 SOC=0 (Full discharged battery)


从图中可以看到,温度越低,锂电池的阻抗越大,电池放电深度越深,阻抗变化越快,这也是为什么低温环境下,低电量情况下电池放电更快的原因。


12.jpg

                     图10. 电池阻抗对运行时间的影响



13.jpg


              图11. 理想锂电池CC-CV充电曲线



14.jpg


                           图12. 电池充电曲线



 

   电池充电一般是先横流充,冲到预定电压再恒压充,从图中可以看出,在整个充电周期内,前期恒流充电可以快速的提高电量,后续的恒压充电时间长但是充电量较少。


15.jpg

                        图13. 循环寿命与充电电压关系图


 如图所示,较高的充电电压会导致电池初始容量过高,缩短了电池的循环寿命,因此锂电池的电源管理系统中,应采用更精准的电压控制方式。

 先介绍下锂电池的基本概念,后续再跟小伙伴们继续介绍充电系统~