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電池化學(xué)成分如何影響電池充電IC的選擇

發(fā)布時間:2023-11-25 來源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電池供電設(shè)備是現(xiàn)代科技不可或缺的組成部分,它徹底改變了人們的生活,讓很多電子設(shè)備能被隨身攜帶。例如,血糖儀和起搏器等醫(yī)療設(shè)備盡可能地減少了人們生活中的不便,便攜式電動工具和無線電等設(shè)備可用于救災(zāi)協(xié)調(diào)等工作,而日常生活中使用的智能手機(jī)和筆記本電腦等電池供電設(shè)備則幫助人們高效工作和連接社會。


本文將討論四種電池化學(xué)成分(鋰離子、磷酸鐵鋰、鋰聚合物和鎳氫)在 30V 以下電池應(yīng)用中的優(yōu)勢與挑戰(zhàn),另外還將介紹適用于這些電池類型的電池充電 IC 如何在應(yīng)用中提升電池性能、運(yùn)行時間和使用壽命。


電池充電 IC 可確保電池充電安全,因此在電池管理系統(tǒng) (BMS) 中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它可與電量計、電池監(jiān)控器和保護(hù)器配合使用,幫助保護(hù)電池、監(jiān)控電池的健康狀況,并在出現(xiàn)問題時與 BMS 進(jìn)行通信。


鋰離子(Li-Ion)電池


鋰離子電池常用于筆記本電腦、電動自行車、電動汽車 (EV) 和智能手機(jī)等設(shè)備。這類電池具有較高能量密度和較長使用壽命,且放電率低,可進(jìn)一步延長充電間隔時間。


鋰離子電池的陰極為電池的正極,由鋰化合物制成;而陽極為電池的負(fù)極,通常由碳制成。當(dāng)鋰離子電池充電時,鋰離子從陰極流向陽極;反之,當(dāng)它放電為設(shè)備供電時,鋰離子從陽極流向陰極(見圖 1)。 


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圖1: 簡化的電池充/放電示意圖


鋰離子電池也有一些缺點(diǎn)。例如,過度充電或放電時,其性能會降低;在極端溫度條件下,它們具有潛在危險,可能爆炸或著火。


鋰離子電池充電 IC


鋰離子電池充電 IC 用于為鋰離子電池充電,使其可重復(fù)使用。鋰離子充電 IC 可以監(jiān)控電池的電流、電壓和溫度,從而調(diào)節(jié)充電過程。它包括以下充電階段:


1. 涓流充電:此階段通常在電池電壓 (VBATT) 較低時使用,例如電池深度放電或斷連時。在涓流充電期間,充電 IC 會產(chǎn)生小電流為電池組的電容充電。

2. 預(yù)充電:在此階段,充電 IC 開始對電池進(jìn)行緩慢充電,使 VBATT 以安全的速度緩慢上升。

3. 恒流(CC)充電:CC 充電也稱為快速充電,意味著電池可以安全承載更大電流。CC 充電階段持續(xù)到 VBATT 達(dá)到滿電電壓或浮充電壓。

4. 恒壓 (CV) 充電:此階段可保證電池的安全運(yùn)行。充電 IC 在 CC 充電期間監(jiān)控 VBATT ,一旦 VBATT 超過電池組中的單電池電壓,就會切換到 CV 充電。

5. 充電截止:充電截止代表充電的完成,此階段 VBATT 開始衰減。


圖 2 顯示了電池充電 IC 的充電曲線。 


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圖2: 電池充電曲線


上述電池充電曲線也適用于其他電池類型,包括本文列出的所有電池化學(xué)成分和電池充電 IC。 


鋰離子電池充電 IC 和其他鋰離子相關(guān)電池充電 IC 通常還包含一些保護(hù)功能,如過壓保護(hù) (OVP)、短路保護(hù) (SCP) 和電池電壓保護(hù)等。此外,這些 IC 還可能提供可配置的保護(hù)閾值、限值和參數(shù)值,從而適應(yīng)各種 BMS 應(yīng)用。


以 MP2770 為例,這是一款單電池開關(guān)充電 IC,可用于智能手表、游戲控制器、無人機(jī)和移動銷售點(diǎn)系統(tǒng) (POS) 等便攜式應(yīng)用。當(dāng)連接輸入電源時,MP2770 在充電模式下工作,通過 VBATT 以三種模式之一進(jìn)行充電:預(yù)充電、CC 充電和 CV 充電。未連接輸入時,MP2770 在升壓模式下工作,由電池供電。


MP2770 集成了一個 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC),可以監(jiān)控輸入電壓 (VIN)、VBATT、系統(tǒng)電壓 (VSYS) 和電池電流 (IBATT) 等。MP2770 還可以配置其他參數(shù)以供靈活應(yīng)用,例如輸入電流限(IIN_LIMIT)、升壓電壓 (VBST) 和保護(hù)閾值等。


MP2770 采用節(jié)省空間的 QFN-18 (3mmx4mm) 封裝,并提供系統(tǒng)電源路徑管理功能,以實現(xiàn)高度集成的電池管理系統(tǒng)解決方案(見圖 3)。


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圖3: MP2770 典型應(yīng)用電路


除電池充電 IC 外,鋰離子電池和其他鋰離子相關(guān)電池也可成為電池組的一部分。電池組將包含一個系統(tǒng)內(nèi)多個連接的電池。在這種情況下,電池組及其電池管理系統(tǒng)都可受益于電量計、電池保護(hù)器和監(jiān)控器。


當(dāng)電量計(例如 MPF42791 和 MPF42793)與電池監(jiān)控器(例如 MP2790 和 MP2797)配合使用時,它們可以優(yōu)化充電并集成 BMS 的其他必要組件(包括電流采樣電阻器、電池均衡器、用于電池充電時通信的充電狀態(tài) (SOC) 監(jiān)控器),從而延長電池的使用壽命。


磷酸鐵鋰(LFP)電池


LFP 電池是鋰離子電池的一種變體,其陰極材料由磷酸鐵制成,而不是鎳錳鈷 (NMC) 或鎳鎘 (Ni-Cd)。相比鋰離子電池,LFP 電池具有較低的能量密度和功率密度。因此,鋰離子電池更受空間受限應(yīng)用歡迎,而 LFP 電池在電動工具、電動自行車、筆記本電腦和其他低壓電池應(yīng)用中并不常見。此外,LFP 電池具有較低的輸出電壓 (VOUT),這會使電源設(shè)計復(fù)雜化,或者需要比鋰離子電池更多的串聯(lián)電池才能達(dá)到最低電壓要求。


但 LFP 電池也有明顯的優(yōu)勢。它成本較低,在較寬的溫度范圍內(nèi)可保持穩(wěn)定以確保安全,而且它比其他電池類型具有更長的生命周期,可以承受更多的充放電循環(huán)。憑借這些優(yōu)勢及其性能的穩(wěn)步提升,LFP 電池也可能會在低壓應(yīng)用中越來越受歡迎。


LFP 電池充電 IC


LFP 電池充電 IC 的充電階段與鋰離子充電 IC 類似,也包括 CC 充電、CV 充電和充電截止。LFP 電池充電 IC 可以簡化電池管理系統(tǒng)中對 LFP 電池的管理,因為它們需要經(jīng)常調(diào)節(jié)電壓,從而使電池通過 USB 端口甚至太陽能電池板獲得供電。


MP2652 是一款適用于電動工具應(yīng)用的升降壓充電 IC,專為 2 至 5 節(jié)串聯(lián)電池應(yīng)用而設(shè)計(見圖 4)。為保證安全電壓,MP2652 提供 VIN 限制功能,可防止輸入功率 (PIN) 源過載。此外,該器件還集成了 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) ,可在充電模式和源模式期間進(jìn)行監(jiān)控。


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圖4: MP2652 典型應(yīng)用電路


MP2759 是另一款適用于工業(yè)醫(yī)療設(shè)備的升降壓充電 IC。它專為 1 至 6 節(jié)串聯(lián)電池組應(yīng)用而設(shè)計,其工作電壓最大為 36V DC VIN,并具有 OR 電源路徑管理功能,可通過外部開關(guān)實現(xiàn)電池的可靠充電(見圖 5)。


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圖5: 帶 OR 電源路徑管理功能的 MP2759


當(dāng)接入輸入電源時,MP2759 通過四個階段對電池充電:涓流充電、預(yù)充電、CC 充電和 CV 充電。其保護(hù)功能包括電池 OVP、過溫關(guān)斷保護(hù)和充電安全定時器。MP2759還提供狀態(tài)引腳以顯示電源和運(yùn)行狀態(tài),從而提高可視性。MP2759A 與 MP2759 類似,但它提供較窄的負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 窗口。


鋰聚合物電池


鋰聚合物電池常用于智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備等便攜式設(shè)備。這種電池輕薄,形狀和尺寸多樣,可適應(yīng)多種不同的應(yīng)用。 


鋰聚合物電池的陽極和陰極與鋰離子電池類似,但使鋰離子在陽極和陰極之間流動的電解質(zhì)不同。鋰聚合物電池采用固體聚合物電解質(zhì),更加靈活并有助于減輕重量。


鋰聚合物電池還具有較低的自放電率和較高的能量密度,因此可以保持存儲的能量,并提供更長的電池壽命。然而,任何物理損壞或過度充/放電都可能導(dǎo)致電池膨脹甚至著火。而且,這種電池標(biāo)準(zhǔn)化程度不高,因此有時無法應(yīng)用于不同的設(shè)備。


鋰聚合物電池充電 IC


鋰聚合物電池充電 IC 的功能與鋰離子/磷酸鐵鋰電池充電 IC 類似。它們不僅充電曲線相同,還同時具備電壓和電流調(diào)節(jié)、安全保護(hù)以及防止過充和過熱的智能充電算法等優(yōu)點(diǎn)。這些特性有效延長了鋰聚合物電池的使用壽命。


兼容鋰離子電池的充電 IC 也兼容鋰聚合物電池,例如 MP2770、MP2652 和 MP2759。 


鎳氫 (NiMH) 電池


鎳氫電池常用于數(shù)碼相機(jī)和便攜式電動工具。與標(biāo)準(zhǔn)電池不同,鎳氫電池可以充電并重復(fù)使用。 


鎳氫電池的陰極是鎳基,陽極通常為可吸收氫的合金,另外還采用堿性電解質(zhì)來促進(jìn)陽極與陰極之間的離子流動。 


鎳氫電池具有高能量密度和低自放電率,因此可以在較長的非活動時間內(nèi)保持電量。但這種電池只能提供每電池 1.2V 電壓,這限制了其應(yīng)用范圍;且不完整的充/放電周期也會對其最佳充/放電能力產(chǎn)生負(fù)面影響。


鎳氫電池充電 IC


盡管鎳氫電池與鋰電池的化學(xué)成分完全不同,但它們的充電 IC 均遵循所有充電 IC的基本規(guī)則,即二者都能為電池和電池充電器提供多種保護(hù),并實現(xiàn)參數(shù)監(jiān)控與配置功能。鎳氫電池充電 IC 還能跟蹤 VBATT 的變化,從而調(diào)節(jié)充電過程。


MP270x 系列器件(包括 MP2700、MP2702 和 MP2703)均為線性電池充電 IC,可用于 2 至 6 節(jié)鎳氫電池應(yīng)用。該系列的每款充電 IC 都具有高達(dá) 26V 的耐受電壓,并分四個階段為電池充電:涓流充電、預(yù)充電、CC 快速充電和 CV 充電。


用戶可根據(jù)應(yīng)用需求選擇適合的充電 IC 功能,例如 PIN 監(jiān)控(MP2702 和 MP2703)、充電狀態(tài)指示(MP270x 系列),以及可啟用整個芯片的使能 (EN) 引腳 (MP2702)。還可選擇內(nèi)存以配置輸入電流限 (IIN_LIM)、最小 VIN 限制和電池滿電電壓等參數(shù)。圖 6 所示為 MP2702 的典型應(yīng)用電路。


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圖6: MP2702 典型應(yīng)用電路


結(jié)語


電池供電設(shè)備改變了人們與世界連接的方式,而它們的充電方式對其功能和持久使用至關(guān)重要。 本文探討了多種電池化學(xué)成分以及這些化學(xué)成分對低壓系統(tǒng)電池管理系統(tǒng) (BMS) 的影響。


盡管電池均遵循通用的充電規(guī)范,但化學(xué)成分的不同使其典型應(yīng)用也有所不同,因此需要兼容的充電 IC 來確保其安全性和效率。但即使是適用于相同電池化學(xué)成分的充電 IC,適合的應(yīng)用也可能不同,例如 MP2652 非常適合電動工具,而 MP2759A 則是醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。


MPS 提供豐富的電池充電 IC 產(chǎn)品組合,包括線性電池充電 IC 和 3 節(jié)及以上串聯(lián)電池的充電 IC,這些產(chǎn)品幾乎涵蓋了所有應(yīng)用。對于電池組中的電池,MPS 還提供電量計、電池保護(hù)器以及監(jiān)控器來提供額外的保護(hù)和功能,從而優(yōu)化 BMS 的整體性能。



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