由于鋰離子電池的充電過(guò)程可能需要一個(gè)小時(shí)或更長(cháng)時(shí)間，因此使用其自然負載（即電池）測試鋰離子電池充電器既耗時(shí)又不方便。本應用筆記介紹了一個(gè)用于模擬 Li+ 電池行為的簡(jiǎn)單電路，從而提供了一種比使用真實(shí)電池更方便的測試 Li+ 電池充電器的方法。
介紹
鋰離子 (Li+) 電池比其他化學(xué)電池更脆弱，并且難以容忍濫用。因此，鋰離子電池充電器是復雜的電路，需要高精度的電流和電壓設置。如果不滿(mǎn)足這些精度要求，充電器可能無(wú)法為電池完全充電、嚴重縮短電池壽命或以其他方式降低電池性能。
考慮到對 Li+ 充電器的要求，對充電器設計進(jìn)行徹底測試并逐步完成其整個(gè)工作范圍至關(guān)重要。然而，在實(shí)驗室和生產(chǎn)環(huán)境中，用其自然負載（即鋰離子電池）測試鋰離子充電器可能非常耗時(shí)且不切實(shí)際。為了簡(jiǎn)化該過(guò)程，本文提出了一種電池仿真電路，用于在沒(méi)有實(shí)際電池的情況下加速、真實(shí)地測試鋰離子電池充電器。
CC-CV 充電
Li+電池充電過(guò)程需要在階段進(jìn)行中等精度恒流（CC）充電，在第二階段過(guò)渡到高精度恒壓（CV）充電。
用于 Li+ 電池充電器的現代 CC-CV 集成電路 (MAX1737) 的 VI 特性。此類(lèi) IC 是消費產(chǎn)品中所有鋰離子電池充電器的。CC（2.6V 和 4.2V 電池電壓之間）和 CV (4.2V) 區域清晰顯示。
低于 2.6V 的區域需要不同的充電技術(shù)。如果嘗試對放電電壓低于 2.6V 的電池充電，充電器會(huì )施加低值（“調節電流”）充電電流，直到電池達到 2.6V 電平。這是鋰離子電池過(guò)度放電時(shí)的行為所必需的安全機制。當 VBATT < 2.6V 時(shí)強制快速充電電流可能會(huì )導致電池進(jìn)入不可逆的短路狀態(tài)。
從 CC 到 CV 階段的轉變點(diǎn)具有 ±40mV 的臨界容差。公差較窄的原因是，較低的 CV 不允許電池充滿(mǎn)電，而較高的 CV 會(huì )縮短其使用壽命。
充電過(guò)程終止涉及感測電池已充滿(mǎn)電并且必須斷開(kāi)或關(guān)閉充電器。這是通過(guò)在 CV 階段檢測充電電流減少到所謂的快速充電或充電電流的一小部分（通常 < 10%）的點(diǎn)來(lái)實(shí)現的。
Li+充電器測試參數
Li+電池充電器設計通常有兩個(gè)基本構建模塊：數字模塊（控制狀態(tài)機）和模擬模塊，由具有（優(yōu)于 1%）參考的良好調節的電流/電壓電源組成。與僅僅驗證一些電流或電壓值相比，對 Li+ 充電器產(chǎn)品（不僅僅是 IC）進(jìn)行完整測試是一項更復雜、更耗時(shí)的任務(wù)。
測試應逐步使充電器經(jīng)歷其整個(gè)工作范圍：通過(guò) CC 階段，直至從 CC 到 CV 的過(guò)渡，直至充電終止�；叵胍幌�，此類(lèi)測試的現實(shí)條件是使用充電器的自然負載：Li+ 電池。然而，使用鋰離子電池測試鋰離子充電器非常耗時(shí)，因為充電過(guò)程可能需要一個(gè)小時(shí)或更長(cháng)時(shí)間。根據您是否將較高容量的電池與慢速充電器、較低容量的電池與快速充電器或介于兩者之間的充電器結合使用，測試時(shí)間差異很大。
此外，在不損壞電池的情況下，充電過(guò)程的加速速度不能超過(guò)電池充電速率（所謂的快速充電電流）所施加的限制。對于消費產(chǎn)品中使用的普通電池，該電流很少規定高于 1C（一小時(shí)內將電池完全放電所需的電流）。因此，在大多數情況下，攜帶充電器完成整個(gè)循環(huán)所需的時(shí)間將超過(guò)兩個(gè)小時(shí)。
如果需要重復測試，則必須將電池完全放電——這個(gè)過(guò)程僅比充電稍短�；蛘�，您必須備有持續放電的電池。
使用真實(shí)電池進(jìn)行負載測試的另一種方法是使用模擬但真實(shí)的負載來(lái)測試充電器。該仿真應驗證電路的直流響應和動(dòng)態(tài)穩定性。然而，電池模擬很難用功率測試中使用的標準負載來(lái)實(shí)現。與大多數用于電源測試的臺架負載不同，電池不充當電阻或恒流吸收器。如上所述，測試還必須逐步讓充電器完成其整個(gè)工作范圍。下面概述的 Li+ 充電器測試電路滿(mǎn)足所有這些要求。
選擇電池模型負載
讓我們離題討論兩種應該考慮但隨后將被丟棄的建模方法。
對電池負載進(jìn)行建模的一種方法是使用能夠提供電流（放電）和吸收電流（充電）的電壓源，并與代表電池內阻的電阻器串聯(lián)。由于鋰離子電池需要限制電壓終止和充電電流，因此當今所有鋰離子充電器實(shí)際上都是穩壓電源轉換器。
此外，由于穩壓電源轉換器（充電器）的穩定性取決于所連接負載（電池）的動(dòng)態(tài)特性，因此您必須選擇與模型特性非常相似的負載。否則，測試可能只能驗證充電器本身的 VI 限制。
如果測試是性任務(wù)并且簡(jiǎn)單的電池模型滿(mǎn)足測試要求，則使用串聯(lián)電阻器的并聯(lián)穩壓器來(lái)模擬電池的內阻可能就足夠了。這種方法還具有由充電器本身供電的優(yōu)點(diǎn)。
然而，更嚴格的測試需要更復雜的模型。該模型使用內部電壓源，其值是充電過(guò)程中提供給電池的總電量的函數。
以恒定電流充電的電池端子之間的電壓以正斜率連續變化。這種行為是由于放電和電池內部的其他化學(xué)過(guò)程期間電池陰極周?chē)e聚的去極化離子逐漸減少而引起的。因此，充電器的工作點(diǎn)取決于其連接到電池的時(shí)間長(cháng)度以及電池的過(guò)去歷史。使用大多數電子實(shí)驗室中的通用儀器來(lái)模擬這種更復雜的模型的負載更難設置。
當必須經(jīng)常測試充電電路，或者必須詳細表征電路性能時(shí)，緊密模擬充電電池的電路是一個(gè)有用的實(shí)驗臺附件。仿真應連續掃描充電器可能的所有直流工作點(diǎn)。電路還應顯示結果，以便操作員可以查找問(wèn)題、毛刺和振蕩。如果模擬器提供電池電壓和信號的輸出，這些結果可以直接作為示波器鏡頭呈現。
該測試可以加速（從幾小時(shí)到幾十秒）并根據需要重復多次，這使得它比使用真正的電池進(jìn)行測試方便得多。然而，加速測試不足以確定功率應力對充電器電路的熱影響。因此，您可能需要在較長(cháng)時(shí)間內進(jìn)行額外的測試，以適應充電器電源和調節電路中的熱時(shí)間常數。
圖 2 中的電路模擬單節鋰離子電池。充電器 CC 階段期間產(chǎn)生的終止電壓和快速充電電流均由充電器上的設置控制。當模擬器初始化為完全放電狀態(tài)時(shí)，內部電池電壓設置為 3V，但可以將該電壓升高至 4.3V 以測試過(guò)充電狀態(tài)。3V 初始化是用于終止 Li+ 電池放電的低電量關(guān)斷電路的典型情況。該設計旨在與標準 CC-CV 型 Li+ 電池充電器配合使用，在 4.2V 時(shí)終止充電。該設計可以輕松調整，以適應非標準水平的終止電壓和完全放電電壓。
被測充電器以高達 3A 的充電電流驅動(dòng)模擬器，但受到功率晶體管耗散所設定的限制。圖 2 電路模擬的電池電壓增加是從模擬器設置為完全放電狀態(tài)時(shí)電路所積分的所有充電電流的函數。
根據所示值和 1A 充電電流，積分時(shí)間常數允許模擬器在六到七秒內達到充電器的 4.2V 限制。電流范圍、內阻、充電終止電壓和完全放電電壓的模擬基于典型 Li+ 電池（在本例中為 SonyUS18650G3）的規格。模擬的電池電壓不包括環(huán)境溫度影響的模擬。
該并聯(lián)穩壓器圍繞一個(gè) MAX8515 并聯(lián)穩壓器和一對雙極功率晶體管而設計。（選擇該穩壓器是因為其內部電壓基準的精度。）高電流 TIP35 晶體管連接到能夠耗散約 25W 功率的散熱器。
MAX4163雙運算放大器的一半集成充電電流，而另一半放大電流測量信號并進(jìn)行電平轉換。運算放大器的高 PSRR 和軌到軌輸入和輸出范圍簡(jiǎn)化了這兩種功能的電路設計。請注意，與電池模擬器正極串聯(lián)的 0.100Ω 電流檢測電阻也用作電池的內阻。
當在具有自動(dòng)測試數據采集功能的系統中運行時(shí)，模擬器可以通過(guò)外部信號重置為完全放電狀態(tài)�；蛘�，當手動(dòng)操作測試設置時(shí)，可以通過(guò)按鈕將其重置。
單刀單擲開(kāi)關(guān)可讓您為模擬器選擇兩種操作模式。在位置 A，開(kāi)關(guān)作為集成電荷模擬器運行，如上所述。在位置 B，它假定設定的輸出電壓并根據需要吸收電流，以便在固定的直流工作點(diǎn)對充電器進(jìn)行現場(chǎng)測試。為此，可以通過(guò) 50kΩ 可變電阻在 2.75V 和 5.75V 之間手動(dòng)調節“設置”電壓。這些設定電壓值指的是內部灌電流源。仿真器端子之間實(shí)際測量的電壓 (VBATT) 等于設定電壓加上仿真器內阻（0.100Ω 電阻）中流過(guò)的灌電流引起的壓降。操作模擬器所需的所有電力均來(lái)自電池充電器的輸出。 |
