简化的锂离子电池充电器测试
Date：November 6, 2023 Views：769
由于锂离子电池的充电过程可能需要一个小时或更长时间，因此使用其自然负载（即电池）测试锂离子电池充电器既耗时又不方便。本应用笔记介绍了一个用于模拟 Li+ 电池行为的简单电路，从而提供了一种比使用真实电池更方便的测试 Li+ 电池充电器的方法。
介绍
锂离子 (Li+) 电池比其他化学电池更脆弱，并且难以容忍滥用。因此，锂离子电池充电器是复杂的电路，需要高精度的电流和电压设置。如果不满足这些精度要求，充电器可能无法为电池完全充电、严重缩短电池寿命或以其他方式降低电池性能。
考虑到对 Li+ 充电器的要求，对充电器设计进行彻底测试并逐步完成其整个工作范围至关重要。然而，在实验室和生产环境中，用其自然负载（即锂离子电池）测试锂离子充电器可能非常耗时且不切实际。为了简化该过程，本文提出了一种电池仿真电路，用于在没有实际电池的情况下加速、真实地测试锂离子电池充电器。
CC-CV 充电
Li+电池充电过程需要在阶段进行中等精度恒流（CC）充电，在第二阶段过渡到高精度恒压（CV）充电。
用于 Li+ 电池充电器的现代 CC-CV 集成电路 (MAX1737) 的 VI 特性。此类 IC 是消费产品中所有锂离子电池充电器的。CC（2.6V 和 4.2V 电池电压之间）和 CV (4.2V) 区域清晰显示。
低于 2.6V 的区域需要不同的充电技术。如果尝试对放电电压低于 2.6V 的电池充电，充电器会施加低值（“调节电流”）充电电流，直到电池达到 2.6V 电平。这是锂离子电池过度放电时的行为所必需的安全机制。当 VBATT < 2.6V 时强制快速充电电流可能会导致电池进入不可逆的短路状态。
从 CC 到 CV 阶段的转变点具有 ±40mV 的临界容差。公差较窄的原因是，较低的 CV 不允许电池充满电，而较高的 CV 会缩短其使用寿命。
充电过程终止涉及感测电池已充满电并且必须断开或关闭充电器。这是通过在 CV 阶段检测充电电流减少到所谓的快速充电或充电电流的一小部分（通常 < 10%）的点来实现的。
Li+充电器测试参数
Li+电池充电器设计通常有两个基本构建模块：数字模块（控制状态机）和模拟模块，由具有（优于 1%）参考的良好调节的电流/电压电源组成。与仅仅验证一些电流或电压值相比，对 Li+ 充电器产品（不仅仅是 IC）进行完整测试是一项更复杂、更耗时的任务。
测试应逐步使充电器经历其整个工作范围：通过 CC 阶段，直至从 CC 到 CV 的过渡，直至充电终止。回想一下，此类测试的现实条件是使用充电器的自然负载：Li+ 电池。然而，使用锂离子电池测试锂离子充电器非常耗时，因为充电过程可能需要一个小时或更长时间。根据您是否将较高容量的电池与慢速充电器、较低容量的电池与快速充电器或介于两者之间的充电器结合使用，测试时间差异很大。
此外，在不损坏电池的情况下，充电过程的加速速度不能超过电池充电速率（所谓的快速充电电流）所施加的限制。对于消费产品中使用的普通电池，该电流很少规定高于 1C（一小时内将电池完全放电所需的电流）。因此，在大多数情况下，携带充电器完成整个循环所需的时间将超过两个小时。
如果需要重复测试，则必须将电池完全放电——这个过程仅比充电稍短。或者，您必须备有持续放电的电池。
使用真实电池进行负载测试的另一种方法是使用模拟但真实的负载来测试充电器。该仿真应验证电路的直流响应和动态稳定性。然而，电池模拟很难用功率测试中使用的标准负载来实现。与大多数用于电源测试的台架负载不同，电池不充当电阻或恒流吸收器。如上所述，测试还必须逐步让充电器完成其整个工作范围。下面概述的 Li+ 充电器测试电路满足所有这些要求。
选择电池模型负载
让我们离题讨论两种应该考虑但随后将被丢弃的建模方法。
对电池负载进行建模的一种方法是使用能够提供电流（放电）和吸收电流（充电）的电压源，并与代表电池内阻的电阻器串联。由于锂离子电池需要限制电压终止和充电电流，因此当今所有锂离子充电器实际上都是稳压电源转换器。
此外，由于稳压电源转换器（充电器）的稳定性取决于所连接负载（电池）的动态特性，因此您必须选择与模型特性非常相似的负载。否则，测试可能只能验证充电器本身的 VI 限制。
如果测试是性任务并且简单的电池模型满足测试要求，则使用串联电阻器的并联稳压器来模拟电池的内阻可能就足够了。这种方法还具有由充电器本身供电的优点。
然而，更严格的测试需要更复杂的模型。该模型使用内部电压源，其值是充电过程中提供给电池的总电量的函数。
以恒定电流充电的电池端子之间的电压以正斜率连续变化。这种行为是由于放电和电池内部的其他化学过程期间电池阴极周围积聚的去极化离子逐渐减少而引起的。因此，充电器的工作点取决于其连接到电池的时间长度以及电池的过去历史。使用大多数电子实验室中的通用仪器来模拟这种更复杂的模型的负载更难设置。
当必须经常测试充电电路，或者必须详细表征电路性能时，紧密模拟充电电池的电路是一个有用的实验台附件。仿真应连续扫描充电器可能的所有直流工作点。电路还应显示结果，以便操作员可以查找问题、毛刺和振荡。如果模拟器提供电池电压和信号的输出，这些结果可以直接作为示波器镜头呈现。
该测试可以加速（从几小时到几十秒）并根据需要重复多次，这使得它比使用真正的电池进行测试方便得多。然而，加速测试不足以确定功率应力对充电器电路的热影响。因此，您可能需要在较长时间内进行额外的测试，以适应充电器电源和调节电路中的热时间常数。
图 2 中的电路模拟单节锂离子电池。充电器 CC 阶段期间产生的终止电压和快速充电电流均由充电器上的设置控制。当模拟器初始化为完全放电状态时，内部电池电压设置为 3V，但可以将该电压升高至 4.3V 以测试过充电状态。3V 初始化是用于终止 Li+ 电池放电的低电量关断电路的典型情况。该设计旨在与标准 CC-CV 型 Li+ 电池充电器配合使用，在 4.2V 时终止充电。该设计可以轻松调整，以适应非标准水平的终止电压和完全放电电压。
被测充电器以高达 3A 的充电电流驱动模拟器，但受到功率晶体管耗散所设定的限制。图 2 电路模拟的电池电压增加是从模拟器设置为完全放电状态时电路所积分的所有充电电流的函数。
根据所示值和 1A 充电电流，积分时间常数允许模拟器在六到七秒内达到充电器的 4.2V 限制。电流范围、内阻、充电终止电压和完全放电电压的模拟基于典型 Li+ 电池（在本例中为 SonyUS18650G3）的规格。模拟的电池电压不包括环境温度影响的模拟。
该并联稳压器围绕一个 MAX8515 并联稳压器和一对双极功率晶体管而设计。（选择该稳压器是因为其内部电压基准的精度。）高电流 TIP35 晶体管连接到能够耗散约 25W 功率的散热器。
MAX4163双运算放大器的一半集成充电电流，而另一半放大电流测量信号并进行电平转换。运算放大器的高 PSRR 和轨到轨输入和输出范围简化了这两种功能的电路设计。请注意，与电池模拟器正极串联的 0.100Ω 电流检测电阻也用作电池的内阻。
当在具有自动测试数据采集功能的系统中运行时，模拟器可以通过外部信号重置为完全放电状态。或者，当手动操作测试设置时，可以通过按钮将其重置。
单刀单掷开关可让您为模拟器选择两种操作模式。在位置 A，开关作为集成电荷模拟器运行，如上所述。在位置 B，它假定设定的输出电压并根据需要吸收电流，以便在固定的直流工作点对充电器进行现场测试。为此，可以通过 50kΩ 可变电阻在 2.75V 和 5.75V 之间手动调节“设置”电压。这些设定电压值指的是内部灌电流源。仿真器端子之间实际测量的电压 (VBATT) 等于设定电压加上仿真器内阻（0.100Ω 电阻）中流过的灌电流引起的压降。操作模拟器所需的所有电力均来自电池充电器的输出。
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