近日小编精心整理了《化学电池充电器控制管理论文(精选3篇)》，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。主要设计难题在很多情况下，能够用USB端口给电池充电为用户提供了更大的方便。但是，USB规范对USB电流有一定限制。一个基于USB的电池充电器必须尽可能高效率地从USB端口抽取尽可能多的功率，以满足今天的电源密集型应用在空间和热量方面的严格要求。管理电源通路是另一个问题。
化学电池充电器控制管理论文 篇1：
可简化太阳能供电设计的单晶电池充电器
自70年代石油危机以来,电池技术已经获得显著改善。尽管1970年时便已开发出铅酸蓄电池,但当时镍化学组成的电池仍处于初期,实际上没有可再充电的锂化学组成的电池。因此,在上一次太阳能技术开发繁荣期,用于便携式产品的太阳能供电电池充电器的理念根本不存在。
时至今日,便携式产品几乎无所不在,产品设计者对于太阳能供电功能的追求来自几个面向:他们想转向“绿色”迈进、他们没有使用电网的机会、他们只是想透过任何可获得的能源延长设备的运行寿命。太阳能充裕、方便且价格合理。在偏远应用中,太阳能也许是数量非常有限的几种可获得的能源之一。
如何撷取及保存太阳能?
太阳能板是由PV电池组装而成的大型系统,其为将阳光能量转换成电的最常见方法。尽管存在很多不同的PV电池技术,但是一块太阳能电池板的基本功能仍然保持不变:电池板受到光照时产生电流。不过,与一般的电源不同,太阳能板既不产生定电压,也不产生定电流。
图1显示Kyocera公司提供的一种40W多晶太阳能板(KC40T)的I-V曲线。这个图突出显示了设计一个太阳能供电系统的最大设计挑战之一:在电流负载有相对不太大的变化时,电池板输出电压可能具有显著的变化。此外,该I-V曲线随温度改变,因此室温时22V的开路电压在-10℃时可能升高到25V左右。
典型太阳能电池板效率的变化范围约为10%～40%。加上较大型(亦即更强大的)电池板价钱更高的实际情况,太阳能供电设计必须最大限度地提高效率,以最大限度地降低系统成本。图1说明太阳能电池板的输出功率如何随着电压和日射率(测量所接收的太阳辐射能量的单位)而变化。为了获取和保存尽可能最多的太阳能,有必要让太阳能电池板接近其最大功率点运行。
为了在一个便携式产品中有效地获取和保存太阳能,该产品必须设计成可管理变化范围很宽的输入,并找到让太阳能电池板在或接近其最大功率点运行的方法。此外,产品必须设计成可对便携式产品首选化学组成的电池安全充电。
一项简单的解决方案
便宜的铅酸蓄电池充电器简单地透过一个隔离二极管将Kyocera KC40T这类太阳能电池板直接连接到电池。铅酸蓄电池的输出电压一般很好地与很多太阳能电池板的最大功率点一致,这使得这种方法效率相当高。不过,尽管这种设计也许简单和便宜,但是太阳能板和电池特性限制了充电电流和充电电压,从而导致肯定不遵循电池制造商性能规格的充电算法(除非采用一种慢速、小电流慢充)。
此外,尽管用铅酸蓄电池可以接近最大功率,但是如果不为所选择的电池化学组成制造订制的电池板,那么这种方法就不能延用于其他化学组成的电池。没有充电控制和缺乏灵活性严重限制了这种方法的使用,尤其是对于锂离子等有复杂充电算法的电池化学组成来说更是如此。
一项更好的解决方案
进一步研究图1可看到一个有趣的事实:太阳能板的峰值输出功率出现在对所有日射率值大约相同的输出电压上。太阳能电池板制造商将这个电压称为最大功率电压。凌力尔特所提供的新型创新性电池充电器LT3652利用这个事实来提供一种精巧的太阳能供电电池充电器解决方案,该解决方案从太阳能电池板抽取可获得的最大功率。
LT3652功率追踪太阳能电池充电器运用一个稳压回路,如果电池板输出电压降至低于设定的值,那么该回路便会降低充电电流。就正在使用的特定太阳能电池板而言,这个输入电压调节回路苦保持电池板在对应于峰值输出功率点的输出电压上。一个电阻分压器设定想要的特定最大功率电压。此外,LT3652具有40V绝对最大输入电压额定值,从而允许它非常容易地满足大多数太阳能电池板的开路电压要求(甚至在低温度情况)。
图2是电池充电器原理图的一个例子。连接到VIN_REG接脚的电阻分压器将LT3652输入电压调节回路设定到17V。50mQ的检测电阻设定2A的满充电电流。如果太阳光照射情况不允许电池板提供设定的满充电电流,那么输入调节回路便会降低充电电流,以在太阳能电池板输出保持17V。这个伺服回路采取行动,将电池充电器系统的功率要求动态地降低至电池板可以提供的最大功率,因此可保持太阳能板峰值功率效率接近100%。考虑型号为340J的40W BP太阳能板。这个电池板在最大输出功率时的输出电流约为2.3A,稍高于LT3652的最大充电电流。不过,随着日射率变化,BP 340J在最大功率时的输出电流也会变化。图3绘制了相应于BP 340J最大输出功率95%和98%的电压曲线。
换言之,红色区域相当于,相对于输出电流(即变化的日射率)变化,对应于98%～100%最大输出功率的电压,而蓝色区域相当对应于95%～98%最大功率的电压。纯黑色线的位置显示,LT3652输入电压调节回路保持太阳能板接近100%的最大可获得功率。
关于温度?
到此,分析和典型曲线都集中于以25℃运行的情况。像P-N节一样,PV电池也有温度系数。这种温度系数影响太阳能电池板的开路电压以及其最大功率电压。典型的最大功率电压温度系数范围为-0.4～-0.5%/℃。对于BP 340J这类电池板来说,在0℃～75℃的工作温度范围内,这对应于5V或6V电压。LT3652输入电压调节回路的设计使温度补偿很简单。图4显示一个用便宜的3端器件精确匹配任何太阳能电池板温度系数的原理图。LM134/234/334(一个电流源和温度传感器)测量太阳能电池板的温度,并相应地调节LT3652的输入调节电压。设计方程式如图4所示,仅需要两个输入:电池板在25℃时的最大功率电压和这个电压的温度系数(注:一0.45%/℃的温度系数应该输入为-0.0045/℃)。
LT3652的输入电压调节回路可以用其他方法进行温度补偿,包括使用一个晶体管或二极管温度传感器或一个负温度系数(NTC)的热敏电阻。
弹性、功能和性能
LT3652是一个高性能单晶降压电池充电器,在4.95V～32V的输入电压范围内工作(具40V绝对最大额定值)。最大充电电流可以设定为高达2A,准确度为5%,而且其电阻可设定浮动电压可满足锂离子/聚合物、LiFeP04、铅酸蓄电池和镍化学组成电池的要求。LT3652可以配置为在充电电流降至低于设定的最大电流的1/10时终止,或用一个整合的终止定时器终止。NTC输入还提供执行温度合格充电的能力。图2显示一个2A两颗LiFeP04电池组充电器。当太阳能电池板输出电压降至低于电池电压时,一个附加的肖特基二极管为系统负载提供电源通路(PowerPath)。
图5显示一个太阳能供电的1A铅酸蓄电池充电器。这个应用运用1A恒定电流将电池快速充电至高达14.4V。当充电电流降至0.1A时,充电器切换到13.5V浮动充电模式,直到太阳下山为止(终止定时器设定为20小时)。如果电池电压降至低于13.2V,那么快速充电重新启动,而且如果电池电压低于10V,就采用慢充(150mA)。如果温度超出0℃～45℃的充电范围,NTC热敏电阻就会暂停充电。
结论
随着人们对于再生能源兴趣的日益攀升,不断加速的太阳能研究和开发,将持续使太阳能撷取和保存成本下降。基于太阳能固有的间歇性,因此大多数太阳能供电设备都需要电池。不过,太阳能电池充电器必须因应变化范围很宽的太阳能电池板输出电压,而且它们必须高效率地从电池板汲取最多功率,LT3652功率追踪太阳能电池充电器则针对这两个问题,提供了一项精小且高效能的解决方案。
作者：Trevor Barcelo
化学电池充电器控制管理论文 篇2：
电源通路管理集成电路的优点
主要设计难题
在很多情况下，能够用USB端口给电池充电为用户提供了更大的方便。但是，USB规范对USB电流有一定限制。一个基于USB的电池充电器必须尽可能高效率地从USB端口抽取尽可能多的功率，以满足今天的电源密集型应用在空间和热量方面的严格要求。
管理电源通路是另一个问题。很多由电池供电的便携式电子产品可以用交流适配器、汽车适配器、USB端口或锂离子/聚合物电池供电。不过，自主管理这些电源、负载和电池之间的电源通路带来了巨大的技术挑战。传统上，设计师们一直尝试用少量MOSFET、运算放大器和其他分立组件实现这一功能，但是一直面临着热插拔、大浪涌电流等问题，这些问题可能引起更严重的系统可靠性问题。
便携式消费类电子产品常常采用锂离子电池和锂离子聚合物电池，因为这类电池的能量密度相对较高——与使用其他可用化学材料制成的电池相比。在给定的尺寸和重量限制条件下，它们的容量更大。随着便携式产品变得越来越复杂，对较高容量电池的需求也越来越大了，也就要求配备更先进的电池充电器。大多数消费者希望充电时间较短，因此提高充电电流似乎是可取的。但是，提高充电电流带来了两大问题。首先，就线性充电器而言，电流增大会增加功耗(也就是热量)。其次，根据主控制器协商好的模式，充电器必须将从5VUSB总线吸取的电流限制到100mA(500mW)或500mA(2.5W)。这种高效率充电，加之电池充电器集成电路必须实现高水平的功能集成以及节省电路板空间和提高产品可靠性的需求，都给设计由电池供电的电子产品带来了压力。
总之，系统设计师面临的主要挑战如下：
·最大限度地提高从USB端口(可提供2.5W)获取的电流。
·管理输入电压源、电池和负载之间的电源通路。
·最大限度地减少热量。
·最大限度地提高效率。
·减小占板面积和高度。
集成式电源管理器集成电路可以简单轻松地解决这些问题。
电源通路控制与理想二极管
电源通路控制功能能够自主和无缝地管理各种不同输入源之间的电源通路，如USB、交流适配器和电池之间的电源通路，并向负载供电。电源通路控制允许最终产品接电后立即工作，而不必考虑电池的充电状态，这称作“即时接通”工作。一个具有电源通路控制功能的器件既为自身供电，又用USB总线或交流适配器电源为单节锂离子/聚合物电池充电。为了确保一个满充电电池在连接总线时保持满电量，具有电源通路控制功能的集成电路通过USB总线向负载输送功率，而不是从电池抽取功率。一旦电源被去掉，电流就通过一个内部低损耗理想二极管从电池流向负载，从而最大限度地降低了压降和功耗。
理想二极管的正向压降远低于普通二极管或肖特基二极管的正向压降，理想二极管的反向电流泄漏也可以更小。微小的正向压降减少了功耗和自热，延长了电池寿命(见图1)。
电池充电器与电源通路控制器和理想二极管器件(电源通路管理器)集成，可高效管理多种输入电源，为电池充电，向负载供电并降低功耗，所有这一切都是在一个外形尺寸极小的集成电路中实现的。电源通路控制电路可以采用线性或开关拓扑，这两种拓扑对系统而言都有各自的优点。后面将评介这两种架构，而较传统的线性“充电器馈送型”系统将作为性能比较的基础来介绍。
线性充电器馈送型系统
第一代USB系统直接在USB端口和电池之间插入限流电池充电器，由电池为系统供电。在这种“电池馈送型”系统中，可用系统功率可以表示为IUSB×VBAT，因为VBAT是系统负载唯一可用的电压(见图2)。输入电流约等于充电电流，因此无须附加输入限流。系统负载直接连接到电池上，不需要理想二极管。所受到的一些限制包括：低效率，从USB吸取的电流限制到500mA；电池没电或缺失(以及电池电压低)时，没有系统电源，将近一半的可用功率损失在线性电池充电器单元内。
线性电源通路系统
第二代USB充电系统在USB端口和电池之间采用了中间电压。这种中间总线电压拓扑称为电源通路系统。在电源通路集成电路中，USB端口和中间电压VOUT，之间放置了一个限流开关。VOUT为线性电池充电器和系统负载供电。这种系统的优点是，电池与系统负载之间被隔断了，因此一有机会就可以进行充电(见图3)。该电源通路系统还实现了“即时接通”工作，因为电源一加到电路上，中间电压就可用于系统负载。这允许最终产品一插电就立即工作，而不论电池的充电状态如何。在线性电源通路系统中，只要未超过输入电流限制，那么USB端口提供的2.5W功率的大部分就可由系统负载获得。因此，与电池馈送型系统相比，线性电源通路系统具有极大的优点。但是，仍有很多功率损失在线性电池充电器单元中，尤其是电池电压较低时(输入电压和电池电压之间产生大的电压差)更是这样。注意，就个别的交流适配器(或高压)输入通路而言，可能会做些调节，就以较高效率工作而言，一个可选外部PFET可以降低理想二极管的阻抗。
开关电源通路系统
新的第三代USB充电系统具有基于开关模式的拓扑。此类电源通路型器件从一个符合USB规格的降压型开关稳压器产生一个中间总线电压，该电压被调节至电池电压范围内的某一固定数值(见图4)。这种形式的自适应输出控制称为Bat-TrackTM(电池跟踪)。稳定的中间电压仅调节到足够传给线性充电器恰够充电的电压值。通过这种方式跟踪电池电压，最大限度地减小了线性电池充电器中的功耗，提高了效率，并最大限度地提高了负载可用功率。平均开关输入电流限制最大限度地提高了利用USB电源提供的全部2.5W功率的能力，可选外部PFET则降低理想二极管的阻抗。这种架构对具有大电池(＞1.5Ah)的系统而言是“必须”的。像线性电源通路配置一样，开关电源通路系统也提供“即时接通”工作。合物开关电源通路管理器，凌力尔特公司的LTC4088就是其中一种。它能提供1.5A充电电流，适用于快速充电应用。该器件具有同步整流、“即时接通”工作和Bat-Track自适应输出控制能力，可实现高效率工作。LTC4088的电源通路控制功能和开关模式架构最大限度地提高了可从USB获得的功率，而且低阻抗“理想二极管”MOSFET产生热量较少。由于节省了功率，因此LTC4088允许VOUT，端的负载电流超过从USB端口吸取的电流而不会超过USB负载规范(见图5)。其扁平14引脚、3mm×4mmDFN封装和很少的外部组件可为媒体播放器、智能电话、数码相机、手持式计算机和GPS系统组成简单、紧凑和经济的解决方案。
高效率开关模式电源转换允许标准USB端口提供高于700mA的充电电流(不是限制到500mA，而是限制到大约2.3W)，LTC3555就是这样的产品。该PMIC将USB开关电源通路管理器和电池充电器与3个同步降压型稳压器和LDO结合在一起，采用小型28引脚(4mm×5mm)QFN封装，可提供完整的电源解决方案(见图6)。
恒定电流、恒定电压锂离子/聚合物电池充电器利用电池跟踪功能，通过产生自动跟踪电池电压的输入电压，最大限度地提高电池充电器的效率。12C串行接口使得系统设计师能够彻底控制充电器和降压型稳压器，在广泛的应用．中改变工作模式。LTC3555的3个用户可配置降压型DC/DC转换器能够向0.8V输出提供0.4A、0.4A和1A电流，在输出电压高于1.8V时，具有高达92％的效率。这个器件还提供始终接通3.3V输出，能够为实时时钟或按钮监视器等系统提供25mA电流。
作者：Ｓｔｅｖｅ Ｋｎｏｔｈ
化学电池充电器控制管理论文 篇3：
精密的智能电池使充电变简单了
智能电池系统(SBS)的出现大大简化了独立电池系统的设计，因此其应用已经超出了笔记本计算机领域，而出现在其他各种应用中，比如备份电源系统、高可靠性军事和航天应用中。其他关键应用还包括了汽车、安全／监视／防伪系统、医疗设备、刀片服务器、电信和便携式电子产品。
智能电池利用内部电子线路来测量、计算和存储电池数据，它使电源的使用更加可预测。而且，智能电池还有一个重要优点，那就是能防止意外的系统停机。
智能电池系统
一个基本的SBS系统由以下部分组成：系统管理总线(SMBus)，智能电池充电器和智能电池。
SBS的模块化特性使设计闭环电池充电系统变的非常容易，这样的系统允许采用电池组独立充电器(智能充电器)，最大限度地降低了硬件和软件的非重复工程(NRE)性成本，并促成了坚固的系统，这对高可靠性电池备份应用尤其重要。而集成到电池组中的高准确度气压计则能一直准确地监视电池，甚至电池不在系统中时也一样。该气压计按照电池的实际容量值进行了校准，因此消除了偏差，确保了准确度。
智能电池的充电和保护
智能电池充电器的主要功能是为智能电池充电提供电压源和电流源。智能电池通过SMBus接口与智能充电器通信，并可选择与主机通信。为了防止由于SMBus功能丧失而过充电，监视计时器持续运行以监视智能电池与充电器的通话频度。如果电池无动作的时间超过3分钟，那么充电器就暂停并等待电池再次请求充电。此外，电池还可以通过强制停机功能来控制充电器，这样可以绕过SMBus，以提供冗余级别并让充电器知道电池是确实存在的。
总之，与固定独立充电器相比，智能电池充电器有如下优点。
①真正即插即用，不受电池化学特性和电池配置影响。任何智能电池组都可与任何智能电池充电器配合。具有不同化学特性、配置，甚至不同充电算法的电池都可以不加修改换用充电器电路。
②内置安全功能。SBS标准提供监视计时器和一个处在电池和充电器之间的特别“安全信号”接口。
③可靠的电池检测系统。
④自动充电管理，无须主机。
⑤无须主机干预的闭环充电系统。主机可根据需要收集电量测量信息。
LTC1760双智能电池系统管理器
LTC1760是一个高度集成的三级电池充电器和选择器，用于使用双智能电池的产品。它是一个降压开关拓扑电池充电器，具有符合智能电池标准定义的多种功能和其他新增功能，如输入限流和安全限制，等等。三个SMBus接口使LTC1760能实现诸如跟踪两个电池的内部电压和电流之类的伺服功能，并允许一个SMBus主机监视任一电池的状态。这种伺服技术能使充电器的准确度同电池内部电压和电流测量值只有±0．2％的误差。
传统上，双电池系统是顺序放电系统，允许顺序消耗电池电量(先消耗电池1，再消耗电池2)，以简单地延长总的电池工作时间。LTC1760采用了专有模拟控制技术，可允许安全地对两个电池并行充电或放电。图1是一个采用LTC1760的双电池系统的简化原理图。这种结构使充电速度提高了50％，电池工作时间延长了10％。此外，并行放电不仅增强了电流能力，而且还降低了I2R损耗并改善了在极高负载条件下的电压调节能力。降低I2R损耗和改善电压调节都延长了时序解决方案的总放电时间(见图2)。
LTCl760的主要特点
①独立3级充电器轮询电池的充电要求并监视由电池内部电量测量所确定的实际电流和电压(误差为±0．2％)，实现快速、安全和彻底地充电。
②快速充电模式可以用来进一步缩短充电时间。
③支持电池查验以实现气压计校准。
④3个电源通路FET二极管允许安全和低损耗地从DCIN和两个电池同时放电。
⑤两个FET二极管实现两个电池同时安全、低损耗地放电。
⑥硬件可编程电流和电压安全限制以及很多其他安全功能用以补充电池的内部保护电路。
LTC1760虽然很精密，但是非常容易使用。在任何给定设计中仅需确定4个关键参数：输入限流检测电阻RICL，限流电阻RILIM和匹配充电电流检测电阻RSENSE，限压电阻RVLIM，短路保护电阻RSC。
LTC1760加上一些智能电池和一个AC适配器，就可组成一个简单系统。系统结构如图3所示。
输入限流检测电阻RCL
如图4所示，这个电路限制充电电流以防止系统功率升高时交流适配器过载。要设定输入电流限制，最重要的就是要最小化墙式配适器的额定电流。限流电阻可以通过下两式来计算。
IILM=适配器最小电流值—(适配器最小电流值×5％)
(1)
RCL=100mV／ILIM
(2)
不过，交流适配器可以有至少+10％的限流裕度，因此常常可以简单地将适配器限流值设定为实际适配器额定值。
限流电阻RILIM
RILIM电阻有两个作用。首先，它告诉LTC1760的SMBus接口，充电器可以供给电池的最大可允许电流，任何超过这个限度的值都会被限定值所取代。第二个作用是让PWM充电器的满标度电流与SMBus接口的满标度限流值同步。
限压电阻RVLIM
VLIM引脚到GND之间连接的外部电阻值可以决定5个充电器输出限压值中的任一个(见表3)。这种用硬件实现限压值的方法是一种比较安全的措施，它是不能被软件方式所取代的。
短路保护电阻RSC
每条电源通路都由两个背对背的PFET组成，这两个PFET与短路检测电阻RSC串联。电池电源通路(PowerPathTM)开关驱动器等效电路如
短路保护功能可在电流模式和电压模式下工作。如果输出电流超过短路比较器门限的时间多于15ms，那么就断开所有电源通路PFET开关，并将POWER_NOT_GOOD位置位。类似地，如果电压降至低于3V的时间多于15ms，那么也将断开所有电源通路开关，POWER_NOT_GOOD位同样被置位。去掉所有电源可将POWER NOT_GOOD位复位。如果POWER_NOT_GOOD位被置位，那么充电也被禁止。
无须软件
基于LTC1760的充电器无须软件。在一开始的硬件样机中放入该集成电路将允许系统获得电池的充放电。不过在某些情况下，可以编写一些软件以便主机能够完成以下动作。
①直接从智能电池(也就是作为气压计)收集“充电器状态”信息；
②支持电池查验。结论
智能电池系统提供先进的功能，只需最低限度的设计工作。LTC1760是非常全面的单芯片双智能电池系统的代表，简单易用，仅需要确定4个参数就能完成一个完整的设计，而且不需要软件代码。该器件仅需最低限度的NRE工作，就可组成一个完整的独立电池充电器系统并正常工作。
本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
作者：Ｓｔｅｖｅ Ｋｎｏｔｈ Ｍａｒｋ Ｇｕｒｒｉｅｓ