電池供電設備是我們日常生活的重要組成部分,這些設備的充電負擔比以往任何時候都更加受到重視。在過去幾年中,出現了許多解決充電時間較長的新方法,使用戶能夠在幾分鐘內完成充電而不再是幾個小時。

本文將重點講述快速充電的趨勢,以及在充電設備使用快速、安全、高性價比的解決方案更快速充電時,精確恒定電流(CC)調節起到的重要作用。

電池在充電時通常經歷兩個階段:恒定電流(CC)和恒定電壓(CV)。圖 1 所示為 4.2V 鋰離子(Li-ion)電池的典型充電曲線。當大部分能量從充電器傳輸到電池時,CC 大致用于充電的前 67%時間。在剩余充電時間的最后 33%內,則是恒定電壓,以充分充電并保持電充滿。考慮到放電電流,并保持電池電壓完全充電,一些充電器在 CV 期間泵送小電流(也稱為涓流充電)。電池完全充電所需的時間取決于其容量和最大允許充電電流,是電池化學和環境溫度的函數。例如,如果您有一個容量為 3000mAh,充電率為 0.8C 的鋰離子電池(其中 C 表示在一小時內為電池充電所需的電流,這是電池制造商建議延長電池壽命的默認電量),電池需要兩到三個小時才能完全充滿電。

 


圖 1:典型的鋰離子電池充電曲線


后一段描述了一種典型的充電方案,握手次數不多,充電率正常。最新推出的方法是通過在 CC 階段向電池提供更多能量以最大化充電時間。這些方法使用專利充電算法或采用主流標準,比如 USB 供電可編程電源(PPS)標準。壁式充電器和設備都可進行連續握手,智能傳達電池的需求并使充電效率最大化。

兩種主要的快速充電方式分別是高電壓和低電流(傳統方法)、高電流和低電壓(新主流趨勢)。第一種方法使用現有的充電線,并將電流限制在約 2A,同時將電壓提高到 15V。該方法的問題是設備側電壓轉換階段的散熱高,從而導致電池壽命縮短,可轉移到電池的最大允許能量減小。

第二種方法使用接近電池電壓的電壓,以及可以直接流向電池的較高電流。這種方法通常被稱為直充或閃充。該方法允許在較低溫度下實現更高的充電率,因為器件側無電壓轉換。然而,閃充需要特殊的充電線來實現更高的電流流動。這個想法是嘗試以盡可能接近最大允許速率的速率對電池充電,以最小化充電時間。

考慮到閃充的冷卻器溫度曲線;它越來越受歡迎,大多數現有標準都采用它。圖 2 所示為閃充系統的高級框圖。

 


圖 2:閃充解決方案的高級框圖


如圖 2 所示,精確的電流控制回路是必要的,用以實現更快的充電時間,并可在其它模塊(電池充電器和燃油表已使用類似模塊)之上添加額外保護層。雖然您可以集成電流檢測功能,但是很難匹配達到專用電流檢測解決方案使用小分流電阻最大限度減少了散熱而提供的精度水平,也很難匹配達到監控高邊電流的能力。

TI 提供各種適用于閃充的專用電流傳感器。這些解決方案包括 INA210 系列,其可在較寬的動態范圍內提供極好的精度;INA199 具有精度和成本的絕佳組合;和新型 INA181 系列,它在帶寬、精度和價格方面提供最佳價值。在這個應用中,INA181 較寬的 350kHz 閉環帶寬使得能夠檢測到 CC 信號的快速波紋——出于電池保護和安全的需要,它所包含的信息可用于最大化 CC,并通過最小化保護帶來實現。

圖 3 所示為從壁式充電器的輸出看到的典型閃充信號。

 


圖 3:閃充電流曲線示例


總而言之,當今快速充電方法的主要局限是散熱靠近電池,這限制了所能傳送的最大允許能量,從而限制了充電時間最小化。此外,高溫有引起安全問題和電池壽命降低的擔憂。閃充發展潛力很大,因為它允許在相對較冷的溫度下進行高水平的能量傳遞,同時最大化充電效率并最小化充電時間。實現這種高效率需要精確的電流控制回路,這通過專用電流傳感器更好地實現。