ADI新型充電器解決方案可實(shí)現(xiàn)電池堆電壓和充電效率

大家好，小科來為大家解答以上問題。ADI新型充電器解決方案可實(shí)現(xiàn)電池堆電壓和充電效率這個(gè)很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、就目前而言，這可能是生活中最常見的問題。

2、在世紀(jì)之交，電池(尤其是基于鋰離子的電池)的成本降低和性能提高促進(jìn)了電池供電的儲(chǔ)能和便攜式設(shè)備的穩(wěn)定增長(zhǎng)。

3、此外，超級(jí)電容器因其獨(dú)特的性能越來越多地用于各種應(yīng)用中。

4、鉛酸電池是一項(xiàng)有150年歷史的技術(shù)，目前仍廣泛用于汽車、輪椅、滑板車、高爾夫球車和不間斷電源(UPS)系統(tǒng)。

5、一旦能量耗盡，這些能量存儲(chǔ)裝置必須重新充電。

6、2019年全球充電IC出貨量為11.6億，預(yù)計(jì)2024年將增至17.2億，年增長(zhǎng)率為8.6%，相當(dāng)健康。

7、收入分別為5181億美元和7354億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.3%。

8、圖1顯示了來自O(shè)MDIA的“電源IC市場(chǎng)跟蹤-2019”的這一趨勢(shì)。

9、圖一。全球充電IC市場(chǎng)

10、對(duì)更大功率、更長(zhǎng)續(xù)航里程或運(yùn)行時(shí)間的需求要求增加儲(chǔ)能設(shè)備使用的電壓。

11、例如，用于機(jī)器人、無人機(jī)、電動(dòng)工具和許多其他東西的鋰離子電池組已經(jīng)從一個(gè)或兩個(gè)電池單元增加到多個(gè)(最多12個(gè))電池單元。

12、12芯鋰離子電池組可以提供50.4 V的最大電壓.

13、在相同的額定電流下，12芯電池的電池壽命是1芯電池的12倍。

14、或者，可以并聯(lián)12節(jié)電池來獲得更高的功率，但這種方法會(huì)使電流增加12倍。

15、更高的電流會(huì)導(dǎo)致更多的傳導(dǎo)損耗，所以不適合使用并聯(lián)電池。

16、應(yīng)急照明、UPS備用電源、帶備用電池的暖通空調(diào)等工業(yè)系統(tǒng)使用24 V直流電源，即使用24v電池為這些系統(tǒng)提供備用電源。

17、然而，根據(jù)IEC 61131-2和IEC 60664-1標(biāo)準(zhǔn)，24 VDC電源在瞬態(tài)條件下可升至60 V峰值電壓。

18、在任何情況下，設(shè)備都要求充電器解決方案能夠適應(yīng)更高的電池電壓，并在瞬態(tài)事件期間承受更高的輸入電壓。

19、充電器的基本知識(shí)

20、充電器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

21、線性充電器通過電源開關(guān)降低電源和電池之間的電壓差。

22、這種類型的充電器效率最低，因?yàn)楫?dāng)電源和電池的電壓差較大時(shí)，電源開關(guān)會(huì)消耗大量電能。

23、升壓充電器將電源電壓提升至電池電壓。

24、這種拓?fù)湟箅娫措妷旱陀陔姵仉妷骸?/p>

25、降壓充電器降低來自電源的電壓，并要求電源電壓高于電池電壓。

26、升壓-降壓充電器可以用高于或低于電池電壓的電源電壓給電池充電。

27、這種拓?fù)湫枰膫€(gè)功率開關(guān)(buck拓?fù)渲恍枰獌蓚€(gè))，效率一般不高。

28、同步整流降壓充電器效率最高，這是本文的重點(diǎn)。

29、圖2顯示了一個(gè)通用同步整流降壓充電器電路。

30、現(xiàn)在大部分降壓充電器都是在相對(duì)較低的電壓下運(yùn)行。

31、很多充電器的額定輸入電壓只有28 V，有的是40 V。

32、如果允許降壓充電器10%的輸入電壓調(diào)節(jié)和2 V的電壓降，那么額定28 V的充電器實(shí)際上只能給5S的鋰離子電池組充電(最大)。

33、我們將研究一個(gè)新的60 V輸入充電器IC系列，它支持更高的充電電壓——電池電壓高達(dá)52 V(或12芯鋰離子電池組)，可以承受65 V的輸入電壓瞬態(tài)。

34、圖二。通用同步整流器降壓充電器

35、充電器的待機(jī)電流應(yīng)該很低以節(jié)省能量。

36、能源之星規(guī)定手機(jī)充電器等待機(jī)功耗30 mW及以下的小型充電器為五星。

37、一星適用于待機(jī)功耗300 mW以上的充電器，其他星適用于介于兩者之間的其他充電器。

38、能源之星旨在降低個(gè)人充電器的功耗，這些充電器在不使用時(shí)大多不會(huì)被拔掉插頭。

39、在任何給定的時(shí)間，超過10億個(gè)這樣的充電器連接到全世界的電網(wǎng)。

40、鉛酸電池、鋰離子電池、超級(jí)電容雖然都是儲(chǔ)能器件，但充放電特性明顯不同。

41、我們將研究這些功能，并討論每個(gè)功能的收費(fèi)解決方案。

42、一個(gè)好的電池充電器可以提供良好的電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時(shí)。

鉛酸電池是現(xiàn)存最古老的可充電電池，1859年由法國醫(yī)生Gaston Planté發(fā)明。

44、一百五十年后，它仍然廣泛用于汽車、輪椅、踏板車、電動(dòng)自行車、高爾夫球車和UPS系統(tǒng)。

鉛酸電池必須緩慢充電。

46、典型充電時(shí)間為8到16小時(shí)。

47、電池必須始終以充電狀態(tài)存儲(chǔ)，定期進(jìn)行完全飽和充電對(duì)于防止硫酸鹽化至關(guān)重要。

48、通常的做法是在大約8小時(shí)內(nèi)將鉛酸電池充電至70%，然后再用8小時(shí)進(jìn)行最重要的補(bǔ)足充電。

49、如果鉛酸電池不時(shí)接受完全飽和充電以防止硫酸鹽化，則部分充電也沒問題。

50、讓電池長(zhǎng)時(shí)間處于浮動(dòng)充電狀態(tài)不會(huì)造成損壞。

找到理想的充電電壓限值至關(guān)重要。

52、高電壓（高于2.45 V/單元）可產(chǎn)生良好的電池性能，但由于正極板上的板柵腐蝕，電池使用壽命會(huì)縮短。

53、低電壓限值會(huì)造成負(fù)極板硫酸鹽化。

54、溫度也會(huì)影響電池電壓，溫度系數(shù)典型值為–5 mV/°C（每10°F每電池單元0.028 V）。

55、好的充電器必須補(bǔ)償此溫度系數(shù)，以避免電池在高溫時(shí)過度充電或在低溫時(shí)充電不足。

例如， MAX17702 （參見圖3）是一款完整的鉛酸電池充電器控制器，設(shè)計(jì)支持4.5 V至60 V的輸入電壓范圍。

57、該器件提供高效率（超過97%）、高電壓、同步降壓解決方案，可為12 V/24 V/48 V鉛酸電池組充電。

58、圖4a和4b顯示了其充電周期和充電效率。

圖3.高壓鉛酸電池充電器控制器

圖4a.MAX17702鉛酸充電周期

圖4b.MAX17702充電效率

鉛酸電池能量密度低，不適合便攜式設(shè)備。

66、便攜式設(shè)備需要鋰電池。

鋰離子電池充電器

由于重量輕和高能量密度，鋰離子電池是普遍接受的用于便攜式應(yīng)用、重工業(yè)、電驅(qū)動(dòng)和衛(wèi)星的電池。

鋰離子電池的維護(hù)工作量很少。

70、這種電池沒有記憶效應(yīng)，不需要故意完全放電就能保持良好狀態(tài)。

71、但它需要保護(hù)電路，電池堆內(nèi)部和充電器均需要，以防止短路、過充、熱失控和過度放電。

72、鋰離子電池如果在1.5 V/單元以下保持一周或更長(zhǎng)時(shí)間，就可能產(chǎn)生枝狀晶體，影響安全性。

為防止過度放電，內(nèi)置電池保護(hù)電路將電池置于睡眠狀態(tài)。

74、當(dāng)電池在放電狀態(tài)下儲(chǔ)存，自放電使電壓降至截止點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生上述情況。

75、常規(guī)充電器將這樣的電池視為無法使用，電池包通常被丟棄。

76、高級(jí)鋰離子充電器具有喚醒特性或“預(yù)充電”功能，可以對(duì)由于過度放電而進(jìn)入睡眠狀態(tài)的鋰離子電池充電。

77、在預(yù)充電模式中，充電器應(yīng)用很小的充電電流以將電壓安全提升到2.2 V/單元與2.9 V/單元之間，從而激活保護(hù)電路，然后開始正常充電。

在正常充電期間，鋰離子充電器以恒流恒壓（CCCV）模式運(yùn)行。

79、充電電流是恒定的，電壓達(dá)到設(shè)定限值時(shí)便不再上升。

80、達(dá)到電壓限值時(shí)，電池飽和，電流下降到電池不能再接受進(jìn)一步的充電為止，此時(shí)充電終止。

81、每個(gè)電池都有自己的低電流閾值。

鋰離子電池在充電時(shí)應(yīng)始終保持涼爽。

83、鋰離子電池不能吸收過多電荷。

84、因此，監(jiān)控電池溫度及其充電電壓以確保電池健康和安全非常重要。

85、良好的充電器必須包含這些特性。

圖5給出了高級(jí)鋰離子電池充電器的例子。

87、MAX17703 是一款高效率、高電壓、同步、降壓充電器控制器，設(shè)計(jì)支持4.5 V至60 V的寬輸入電壓范圍。

88、該器件為最多12芯鋰離子電池堆提供了完整的充電解決方案。

圖5.高級(jí)高電壓鋰離子電池充電器電路

該器件分別為±4％和±1％時(shí)提供精確的CCCV充電電流/電壓。

92、當(dāng)充電電流減小到收尾電流閾值時(shí)，充電器進(jìn)入補(bǔ)充充電狀態(tài)；收尾定時(shí)器周期結(jié)束后，充電器退出充電狀態(tài)。

93、當(dāng)輸出電壓低于充電閾值電壓時(shí)，充電器啟動(dòng)充電周期。

94、這是一個(gè)很棒的特性，可以讓長(zhǎng)時(shí)間留在充電座上的電池保持滿電狀態(tài)，而不會(huì)消耗太多電力，并且符合Energy Star要求。

95、該器件可以檢測(cè)和預(yù)處理深度放電電池，利用預(yù)充電特性將其喚醒。

96、為了提供更多保護(hù)，該器件會(huì)檢測(cè)電池溫度，使得充電只能在規(guī)定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

97、它還有一個(gè)輸入短路保護(hù)特性，用于在輸入意外短路時(shí)防止電池放電。

98、圖6顯示了MAX17703的充電周期。

圖6.MAX17703鋰離子電池充電周期

超級(jí)電容充電器

超級(jí)電容器相比電池有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此越來越多地用于各種應(yīng)用。

103、超級(jí)電容器依據(jù)靜電原理工作，沒有化學(xué)反應(yīng)，避免了與電池化學(xué)存儲(chǔ)相關(guān)的壽命問題。

104、其高耐用性允許數(shù)百萬次的充/放電循環(huán)，使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年，比電池高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

105、其低阻抗支持快速充電和放電，幾秒鐘便可完成。

106、另外，它還有適度的長(zhǎng)時(shí)間保持電荷的能力，這一切使超級(jí)電容器非常適合需要快速充放電循環(huán)的應(yīng)用。

107、超級(jí)電容器還能與電池并聯(lián)使用，從而支持負(fù)載轉(zhuǎn)換期間需要瞬時(shí)峰值功率傳輸?shù)膽?yīng)用。

超級(jí)電容器的快速充放電循環(huán)要求充電器能夠處理大電流，在充電過程中以恒流（CC）模式平穩(wěn)工作，充電可能從0 V開始，一旦達(dá)到最終輸出值，則以恒壓（CV）模式工作。

109、在高電壓應(yīng)用中，許多超級(jí)電容器串聯(lián)在一起，需要充電器來管理高輸入和輸出電壓。

MAX17701 （參見圖7）是一款高效率、高電壓、同步、降壓超級(jí)電容充電器控制器，專為大電流充電而設(shè)計(jì)，可在4.5 V至60 V的輸入電壓范圍（VDCIN）內(nèi)工作。

111、輸出電壓可編程，范圍為1.25 V至（VDCIN–4 V）。

112、該器件利用外部N-MOSFET提供輸入電源側(cè)“邏輯或”功能，防止超級(jí)電容器放電回到輸入端。

113、圖8顯示了簡(jiǎn)單但電流很高的充電曲線。

圖7.高電壓、大電流超級(jí)電容充電器

圖8.MAX17701超級(jí)電容充電曲線

結(jié)論

電池供電的儲(chǔ)能和便攜式設(shè)備的使用穩(wěn)步增長(zhǎng)。

120、對(duì)更多電力、更長(zhǎng)續(xù)航里程或運(yùn)行時(shí)間的需求，要求提高電池堆使用的電壓。

121、在使用24 VDC電源的工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用中，瞬態(tài)條件下可以看到60 V峰值電壓。

122、傳統(tǒng)充電器解決方案大多以28 V輸入為限。

123、得益于高電壓同步降壓充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ADI公司的新型充電器解決方案可實(shí)現(xiàn)更高的電池堆電壓和充電效率。

鉛酸電池、鋰基電池和超級(jí)電容器都是儲(chǔ)能設(shè)備，具有非常不同的充電/放電特性，需要專用充電器才能獲得最優(yōu)充電解決方案。

125、高級(jí)電池充電器還提供充分的保護(hù)以保障電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時(shí)。

126、這些在較新的充電器解決方案中也得到解決。

本文到此結(jié)束，希望對(duì)大家有所幫助。