大電流寬電壓電池充電管理方案

上海常仁信息科技有限公司 李紅淵

緒論

本論文提出的這種鋰電池及電池組的管理系統，應用于具有兩線制充放電接口的光網絡設備備用電源管理系統中，其包括有鋰離子電池或電池組、大電流寬壓充電管理系統以及外部電源。

通常外部電源電壓高于鋰離子電池或電池組最高電壓，電池或電池組可以充滿。但在很多光網絡設備中，外部電源電壓在一定電壓范圍內變化，有時外部電源電壓低于電池或電池組電壓，電池或電池組若是處于放空狀態，如果沒有及時充電，極容易造成過放，過放會影響電池或電池組使用壽命，故必須設計一種充電管理系統，當外部電源低于所述鋰離子電池或電池組額定電壓的條件下仍可對鋰離子電池或電池組充電，滿足光網絡設備兩線制充放電接口寬電壓輸出的需求。

除了光網絡設備有此特性，很多使用場景都會出現外部電源低于電池或電池組電壓情況，為了提高產品適應性和可靠性，必須設計一種寬電壓輸入大電流充電管理方案。

1.寬電壓輸入大電流充電管理方案

本方案主要應用于具有兩線制充放電接口的光網絡設備備用電源管理系統中，其包括有單節鋰離子電池或鋰離子電池組、鋰離子電池或電池組充電管理系統以及外部電源。本寬電壓輸入大電流充電管理系統主要由升壓模塊、充電管理模塊、充電開關、電池管理模塊、主控模塊組成。

1.1 升壓模塊

用于在外部電源低于所述鋰離子電池或鋰離子電池組額定電壓的條件下對外部電源電壓升壓，升壓后電壓高于鋰離子電池或鋰離子電池組最高電壓0.5V。如采用鋰離子電池，單體電芯充滿最高電壓為4.2V，如采用3串2并的pack方式，鋰離子電池組充滿電最高電壓是12.6V，則考慮到充電回路元器件壓降，為了能讓電池充滿，建議升壓后電壓為13.1V。

1.2 充電管理模塊

用于對鋰離子電池或鋰離子電池組充電過程進行管理及過壓保護。以3串鋰電池為例，如果電池組電壓低于恒壓充電電壓的66.5%（典型值）時即電池組電壓低于8.4V，為減小系統發熱，且為了電池更長壽命，此時進入涓流充電模式，充電電流為恒流充電電流的17.5%，即若設置為3A為恒流充電電流，涓流電流為0.525A。

隨后進入恒流充電模式，充電電流根據參數配置不同，可配置，本系統以3A為例。

當達到設定的恒壓充電電壓值后，充電電流逐漸減小，當充電電流下降到恒流充電電流的16%時，充電過程結束，充電開關關斷，電流為零。

1.3 充電開關

通常為MOS管、繼電器等，MOS管為結型場效應管、絕緣柵型場效應管或雙極性晶體管。

1.4 電池管理模塊

用于對單體電芯進行電壓檢測和溫度檢測，鋰電池或電池組電流檢測和容量檢測、均衡功能等。

1.5 主控模塊

用于讀取單體電芯電壓、溫度值，鋰電池或電池組電壓值、電流值和容量，外部電源狀態，充電開關控制，實現對鋰離子電池或電池組狀態讀取及保護。

2.方案實施及分析

下面以單體電芯3S2P鋰離子電池組成的備用電源系統為例，介紹寬電壓輸入大電流充電的電池管理方案。

2.1 單體電芯

電芯采用ICR18650 3.7V 2600mAh

標稱電壓3.7V ；

充電電壓4.2V±0.03V ；

放電截止電壓2.75V±0.03V；

持續最大充電電流1C，電流小于0.01C后認為充滿。

電池在整個系統價格中所占比重較大，電池長循環壽命有助于降低成本。

2.2 電池組

電池組采用3S2P的pack形式，pack后電池組電壓11.1V 5.2Ah.

電池組充電電壓12.6V；

電池組放電截止電壓8.25V；

因充電回路器件及線路上壓降，建議電池充電電壓設置為12.6V+0.5V=13.1V即Vcharge=13.1V

2.3 寬輸入電壓大電流充電管理系統設計

2.3.1 充電管理模塊選擇

假定備用電源系統要求2～3小時充滿電。

5.2 Ah/2h=2.6A，5.2Ah/3h≈1.73A，

按充電管理芯片特性電池組電壓低于恒壓充電電壓的66.5%（典型值）時即電池組電壓低于8.4V，進入涓流充電模式，因系統單芯放電截止保護值2.75V，電池組電壓約為8.25V，考慮到涓流充電模式和電池快充滿時恒壓充電時間較長，故若要備用電源系統2～3小時充滿電，建議充電電流2～3A。為了快速充滿電，本方案充電電流選為3A。

涓流電流為0.525A。

恒壓充電模式當充電電流下降到恒流充電電流的16%即0.48A時，充電過程結束。充電管理過程如圖1：

圖1

Rcs用于設定恒流充電電流，本方案恒流充電電流3A，故Rcs 40毫歐。

M1為一充電PMOS，根據MOS特性，此應用導通損耗大于開關損耗，為減小系統發熱建議選擇Rds(on)小的PMOS。本方案采用IRF8707PBF Vgs=12V時Rds(on)11.9毫歐，導通時0.1071W，到MOS 殼體溫升5.355度。

L采用10uH電感。

Vcharge=12.6+8.996*10-6*Rx=13.1(V)

計算得Rx=55.6KΩ，因55.6K不常用，選擇56.2KΩ±0.5%0603封裝電阻。

芯片效率94%，基于芯片特性，本方案選擇Vboot=14V，電流Iboot=3A，功率42W。

2.3.2 升壓模塊選擇

基于升壓電路的基本原理，其電路如圖2：

圖2

考慮到電阻分壓漏電流和FB pin腳抗干擾，選用RSL=10KΩ，

本方案采用500kHz開關頻率，即fsw=500kHz，故RFREQ=95.3 KΩ。

由此計算5V時D=74.4%，32V時D=31.2%

按85%效率計算IinDC≈10A。

計算得到L至少為3uH。

肖特基二極管D選用B340B。

頻率補償控制RC=2.37KΩ，C4=0.1uF，

軟啟動參數C3=0.047uF。

根據模塊特性，輸入電壓范圍2.9V到32V。輸入電壓低于14V時模塊工作在升壓模式，輸入電壓高于14V時模塊工作在降壓模式，故輸出端Vboot需一個旁路電容，本方案采用100uF陶瓷電容。

2.3.3 其他模塊

充電開關、電池管理模塊、主控模塊非寬電壓大電流充電核心模塊，本方案不做過多介紹。

3.結論

寬電壓大電流充電管理系統除了適用于光網絡設備備用電源管理系統中，也適用于其它采用鋰離子、鋰聚合物及磷酸鐵鋰等電池作為備用電源的系統，如機器人系統等，電池充放電時長是衡量系統的一個重要指標。本方案通過對充電過程、發熱、效率等深入分析，總結出寬電壓輸入大電流充電系統設計的基本原則，并根據理論設計了一套實施方案，實驗證明該方案的可行性和有效性。