【導(dǎo)讀】電池充電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是充電器本身和電量計(jì)，電量計(jì)可電池充電狀態(tài) (SOC)、電量耗盡時(shí)間和充滿電時(shí)間等指標(biāo)。電量計(jì)可在主機(jī)端或電池組中實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖 1）。
電池充電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是充電器本身和電量計(jì)，電量計(jì)可電池充電狀態(tài) (SOC)、電量耗盡時(shí)間和充滿電時(shí)間等指標(biāo)。電量計(jì)可在主機(jī)端或電池組中實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖 1）。
圖1. 電池電量計(jì)可以集成在主機(jī)端，或集成在電池包中。
當(dāng)在電池組中實(shí)施時(shí)，電量計(jì)需要非易失性存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)電池信息。電源路徑上的 MOSFET 可監(jiān)控充電/放電電流并防止危險(xiǎn)情況。Analog Devices 的 MAX17330 等設(shè)備是一種電池電量計(jì)，具有內(nèi)置保護(hù)電路和電池充電器功能（見(jiàn)圖 2）。
圖 2. 帶有充電 MOSFET 調(diào)節(jié)器的電量計(jì)框圖。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供
圖 3. 高壓/大電流快速充電系統(tǒng)框圖。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
充電MOSFET可以精細(xì)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)線性充電器，當(dāng)充電源限制為 5 V 且充電電流在 500 mA 范圍內(nèi)時(shí)，該充電器可以用作獨(dú)立設(shè)備。由于鋰電池充電超過(guò) 3.6 V 的充電曲線的 99%，因此功耗有限。
通過(guò)在充電器前面使用降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)其輸出電壓，可以適應(yīng)高壓充電源和高充電電流（見(jiàn)圖 3）。這還可以限度地減少壓降，從而降低充電 MOSFET 上的功耗（見(jiàn)圖 4）。
圖 4. 使用降壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸出電壓，以高效率實(shí)現(xiàn) 10 A 充電電流。此處顯示的是 MAX20743 降壓轉(zhuǎn)換器，V IN = 12 V。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
在電池組中安裝電量計(jì)可使電池變得智能，從而實(shí)現(xiàn)充電方案和功能。例如，電量計(jì)可以在其非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)適合電池組內(nèi)電池的充電配置文件。這還具有從主機(jī)微控制器單元 (MCU) 卸載充電的額外好處。現(xiàn)在，主機(jī) MCU 只需管理來(lái)自電池組的 ALRT 信號(hào)，即可根據(jù)收到的警報(bào)類型增加/減少降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
CP：熱量限制→降低電壓。
CT： MOSFET 溫度限制→降低電壓。
電壓降： → 增加電壓
圖 5. 3.6 V 鋰電池的單電池快速充電。圖片由 Bodo’s Power Systems [PDF]提供
CP 是保護(hù) MOSFET 中流動(dòng)的電流可能影響散熱時(shí)設(shè)置的標(biāo)志。CT 是 MOSFET 溫度過(guò)高時(shí)設(shè)置的標(biāo)志。熱量限制和 MOSFET 限制設(shè)置使用 nChgCfg1 寄存器組進(jìn)行配置。
可編程降壓轉(zhuǎn)換器（如 MAX20743）使用 PMBus 實(shí)現(xiàn)輸出電流的精細(xì)調(diào)節(jié)。降壓轉(zhuǎn)換器中的集成 MOSFET 支持高達(dá) 10 A 的充電電流。此外，由于 PMBus 使用 I 2 C 作為物理層，因此可以使用單個(gè) I 2 C 總線來(lái)管理降壓轉(zhuǎn)換器和電量計(jì)。
以下示例顯示了對(duì)單個(gè) 3.6 V 鋰電池進(jìn)行充電的方法。圖 5 顯示了充電系統(tǒng)中電壓和電流的時(shí)域形狀。具體來(lái)說(shuō)，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
降壓轉(zhuǎn)換器輸出 (VPCK) 設(shè)置為高于電池電壓 50 mV。此輸出電壓不斷增加，以避免電壓跌落，并降低總功耗。
電池安全管理
由于快速充電涉及高電流，OEM 必須能夠保證安全充電。因此，智能快速充電器必須監(jiān)控幾個(gè)重要參數(shù)作為其整體電池管理的一部分。例如，通過(guò)監(jiān)控電池溫度和環(huán)境/室溫，快速充電器可以根據(jù)電池制造商的規(guī)格和建議確定何時(shí)降低充電電流和/或降低終止電壓以確保安全并延長(zhǎng)電池壽命。
圖 6.六區(qū) JEITA 溫度范圍。圖片由Bodo’s Power Systems 提供
圖 7. 帶有狀態(tài)機(jī)的分步充電配置文件，用于管理階段之間的過(guò)渡。圖片由 Bodo’s Power Systems [PDF]提供
電壓和電流可以根據(jù)溫度進(jìn)行調(diào)整，以符合六區(qū) JEITA 溫度設(shè)置（見(jiàn)圖 6）以及基于電池電壓的三區(qū)分步充電。
使用根據(jù)電池電壓改變充電電流的階梯式充電配置可以進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。圖 7 顯示了使用三個(gè)充電電壓和三個(gè)相應(yīng)充電電流的階梯式充電配置。可以通過(guò)狀態(tài)機(jī)管理階段之間的轉(zhuǎn)換（另請(qǐng)參見(jiàn)圖 7）。
請(qǐng)注意，電流、電壓和溫度都是相互關(guān)聯(lián)的（見(jiàn)表 1 和表 2）。
在第 2 部分中，我們將探索使用評(píng)估套件和 Raspberry Pi 開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電池快速充電系統(tǒng)。
圖 8. 為防止交叉充電，當(dāng)電池 ΔV >400 mV 時(shí)，高壓電池的放電將被阻止。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
電池快速充電要點(diǎn)
將充電和電量計(jì)功能從主機(jī)端移至電池組，允許在 1S2P 配置中單獨(dú)控制每個(gè)電池。智能充電器本身可以根據(jù)充電配置管理自己的輸出，而不需要主機(jī) MCU 來(lái)全面管理充電。由于主機(jī)端的管理僅限于管理電量計(jì)生成的 ALRT 信號(hào)，因此系統(tǒng)可以輕松適應(yīng)不同的電池組。
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