一种锂离子电池充电管理技术

刘家斌

（厦门芯阳科技股份有限公司，福建 厦门 361000）

1 锂离子电池概述

1.1 锂离子电池的发展概述

锂离子电池因循环寿命长（大于 500 次）、能量转换效率高、自放电率低（小于每月 10%），使其市场占有率不断提高。其初始成本较高，应用并不广泛，但新的化学体系和规模经济能够降低未来锂离子电池的成本。

1.2 锂离子电池的基本原理

锂离子电池一般是使用锂金属氧化物为正极材料，石墨为负极材料，是使用非水电解质的电池。正极中的金属是过渡金属，通常是Co。活性物质在电池两端黏接到金属集流体，并用微孔聚合物隔膜或凝胶聚合物作电气隔离。液体或凝胶聚合物电解质允许锂离子（Li+）在正极和负极之间扩散。锂离子通过插层过程从活性物质中嵌入或脱出。

在充电过程中的正极上，活性物质被氧化，锂离子脱出过程如下。

在充电过程中的负极上，活性物质被还原。在反应中，锂离子从正极迁移并通过电解液和隔膜嵌入[1]。

1.3 锂离子电池的特性

优点：1）能量密度比较高，是铅酸电池的约6～7倍；2）额定电压高，约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压；3）自放电率很低，一般可做到低于1%/ 月，不到镍氢电池的1/20；4）绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有毒有害重金属元素和物质。

缺点：1）安全性差，有发生爆炸的危险。2）须保护线路，防止电池被过充、过放电。

1.4 锂离子电池的充电过程

目前锂离子电池的充电过程，大致划分为四个阶段，即涓流充电 、恒流充电 、 恒压充电 、停止充电。

涓流充电，所谓涓流就是小电流充电。一般我们取0.1C即可，C代表电池容量。锂离子电池存在电量过放的可能，所以我们需要用小电流来补偿的电池电量，避免过放带来的电池损伤进一步激化。

恒流充电，即充电电流恒定，就是我们常说的CC模式。恒流充电我们电流需要恒定，一般取充电电流在0.2C～1C。这个过程中，电池的电压会不断上升，直达电池电压达到4.2V后进入恒压充电阶段。

恒压充电，即充电电压恒定，就是我们常说的CV模式。恒压充电过程电池电压维持不变，充电电流不断下降，一直到电流低于0.1C后，停止充电。

充饱状态，当恒压充电完成后，我们便可以停止充电。

2 电池主流充电控制方式

充电控制方式目前主要有两种：线性充电控制，BUCK降压充电控制。早期线性充电方式应用很广，但是随着电池容量的上升和充电时间缩短的要求，逐步开始应用DC-DC的充电控制。

2.1 线性充电控制

该应用方式是目前最常用的控制方式，因为芯片集成度高，方案外围电路简单，应用最简单。

2.1.1 基础原理

该控制方式是利用芯片内部半导体工作在放大状态，来吸收输入电压到电池两端的压差进行充电电流的调节和逻辑控制，芯片此时等效为电阻，不同的电池电压情况下，等效电阻不同，实现恒流的控制。充电后期进入恒压状态时，也是逐步增加阻抗，达到恒压但是电流减小的控制逻辑，类似于LDO的工作状态。

2.1.2 驱动电路

驱动电路如图1所示，电路左侧VIN为充电输入端，芯片第5脚接到电池正极，第7脚进行充电状态的检测，第6脚进行充饱电检测，第2脚通过调整电阻R2阻值大小可以调整恒流状态的充电电流，芯片可以自主控制整个锂离子电池的充电控制过程，电路中仅需要去判断第6，7脚就可以确定是充电状态还是在充饱状态，电路应用简单。

图1 线性充电控制电路图

2.1.3 控制方式的优缺点

优点：控制简单，不需要MCU介入控制充电过程，所以方案的程序量小。

缺点：因为是线性充电方式，所以芯片上面的功耗如下。

P=（适配器电压-电池电压）×充电电流

在输入为5V的情况下，充电电流一般仅能设置在800mA以内。其余能量以热量损失掉，所以充电效率低，输入电压高的情况下，允许充电电流更小，并且芯片极易受高压击穿失效。

2.2 BUCK充电控制

该应用方式因为使用了电感进行储能，可以降低器件功率损失，可以提高充电电流和充电效率，所以在大充电电流场合应用也逐步推广开来。

2.2.1 基础原理

该控制方式是芯片内部控制电感与输入的通断时序进行，导通时，电流经过电感流入电池，电感同时进行储能，并形成一定分压作用，在关闭时，由电感储存的能量维持电流供给，形成稳定的充电电流实现恒流功能，在接近充饱状态控制充电电流的逐步减小达到恒压控制的过程。

2.2.2 驱动电路

驱动电路如图2所示，芯片第1脚为适配器电源输入，芯片第8脚为接电池端，芯片第3脚进行充电状态的检测，电阻Rserse可以调节电路恒流的电流值，芯片第7脚检测电阻两端的压降进行电流检测和控制，芯片的第5脚进行电感与电源输入的切换控制，达到BUCK降压目的。芯片可以自主控制整个锂离子电池的充电控制过程，通过检测第3脚的电平状态，可以判断出是否处于充饱状态。

图2 BUCK充电控制电路图

2.2.3 控制方式的优缺点

优点：充电利用了电感储能，所以充电效率高，可以达到90%以上，充电电流可以达到2.5A，并且芯片表面温度控制在90℃以内，输入电压可以达到20V。

缺点：电路相对复杂很多，电路中需要配大电流电感，芯片价格也昂贵很多，所以整体方案的成本相比线性会贵3～4倍。

3 新的充电管理技术

3.1 开关型控制的基础原理

该控制方式是利用MCU的PWM信号控制MOS管的快速导通和截止，以此来调整充电电流的大小，并且通过线路中的电阻进行充电电流采样，控制电流充电的过程。在MOS管导通时，大电流在MOS管阻抗上的功率损失很小，在MOS管截至时，MOS管没有功率损失，所以整体电路的功耗很小。基础电路架构参照图3所示。

图3 开关型电路基础原型

当充电MOS管导通时，可以理解阻抗非常低，适配器电压被拉低到与电池电压基本持平，而关闭MOS管时，阻抗无穷大，适配器则变为空载状态，无电流通过MOS管本体。通过芯片的PWM信号快速开关MOS管，适配器因为输出的滤波电容很大，适配器输出电压在短时间内不会被彻拉低到与电池电压接近，而且提供了所需的充电电流，最终输入电压会平衡在5V左右，此时通过软件对电路中的采样电阻进行滤波处理取到真实的充电电流，在根据采样到的电流大小进行PWM占空比大小的调节，最终可以稳定在所需的电流值。在结合电池电压检测，进入恒压状态后，逐渐减小充电电流达到恒压，直至充饱。

3.2 充电控制方案的技术实现

在充电控制的设计中，硬件设计时，要考虑系统的可靠性和稳定性，软件的规划和编写对系统的运行稳定也至关重要。

3.2.1 硬件实现电路

驱动电路如图4所示，R2和R3驱动三极管Q2，DC-IN信号接到单片机I/O口并且置为输入内部上拉，当适配器接入时，Q2导通，DC-IN信号为低电平，整机唤醒进入充电状态，从而控制电路进入充电状态。当适配器移除，Q2截至，DC-IN的信号为高电平，程序进入休眠模式，以节省电池功耗。

图4 开关型控制电路

MCU通过第2脚的PWM信号驱动三极管Q3的导通截止，从而驱动MOS管Q1的导通截至，当PWM信号为高电平时，三极管Q3导通，R6的下端为0.2V，从而将Q1的G极电压拉低，MOS管Q1导通，电流从适配器流入电池，从电池负极流到网络的T4点，经过采样电阻R16和R18到适配器负极。MCU通过第8脚采样R16和R18两端的压降得到平均电流，R7和C4形成RC硬件滤波电路，到达单片机的AD口信号更为平滑。

通过采样电阻R16和R18的电压反馈进行PWM的占空比调节，实现正向反馈的控制环，从而达到恒流恒压的控制效果。

3.2.2 软件实现过程

MCU平常在休眠模式以节省功耗，当适配器插入时，DC-IN信号为低电平，下降沿触发MCU唤醒进入工作状态，MCU判断到DC-IN为稳定的低电平信号，程序开始进入充电状态的逻辑控制。

进入充电状态后，会先判断电池电压是否＜ 3.0V，如果小于则进入涓流模式，该模式的充电PWM被设置在很小的一个值，充电电流为0.1C，可以保证电池的激活，也保证不会出现过放带来的瞬间大电流冲击，电芯受损。当电池电压＞3.0V时，则进入恒流工作状态。

恒流工作状态：当电池电压＜ 4.2V时，打开PWM，并进行充电电流检测，当判断到充电电流小于设置的充电电流时，增加PWM的占空比，MOS管的导通时间增加，充电电流流过的时间变长，平均电流变大，最后达到预设值，PWM值稳定。当充电电流大于设置的充电电流时，减小PWM的占空比，MOS管导通时间减小，充电平均电流变小，最终达到设定电流。PWM也固定下来，小范围调整，随着充电的进行，电池电压慢慢上升，充电电流会慢慢变大，PWM会自动调整变小，逐步重新平衡下来。当电池电压最终达到4.2V时，进入恒压状态。

恒压工作状态：进入恒压状态，MCU会判断电池电压是否大于4.2V，当电池电压超过时，就减小PWM的占空比值，此时充电电流也会同步下降，因为电池有内阻，随着充电电流的下降，判断到的电池电压也会下降，维持在4.2V，达到恒压的目的。随着充电的进行，电池电压还会上升，MCU会重新调整PWM将电池电压控制在所需的4.2V，当充电电流减小到0.1C时，表示电池已经充饱，进入充饱状态。

充饱状态：此时关闭充电的PWM信号，MOS管截至，此时须进行电池电压的判断，判断到电池电压下降到4.1V时，重新开启恒流的充电过程。达到续冲的目的。

4 结论

该文详细介绍了锂离子电池充电的两种常规控制方式：线性充电控制，BUCK充电控制，及芯片内部工作的基础原理和驱动电路，并详解了对应的优缺点。也着重介绍了该文创新性的利用PWM快速开关控制的方式，详细说明了基础原理和硬件驱动电路和软件控制过程。这种控制方式有以下几个特点：1）因为锂离子电池在整机中不仅需要负责充电也需要控制放电，所以方案都需要用到MCU进行充放电的指示和逻辑控制，该方式直接利用现成的MCU资源控制充电过程，不仅控制的灵活性更高，项目中使用到的芯片数量更少，所以成本比另外两种方案更低。2）线性充电方案目前的充电电流大多控制在800mA以内，BUCK充电方案目前大多支持从1A～2.5A的充电电流，开关型控制方式刚好可以填补从线性充电到BUCK充电方案的空白区域，支持从0.6A～1.5A的充电电流设定范围，在这个范围内具有非常好的性价比。3）相比于线性充电方案（充电电流800mA以下），因为MOS管只有在导通时有导通损耗，不导通是没有功耗的，所以充电效率高，发热量更小（主要发热在MOS管电平驱动的上升和下降过程），所以充电电流可以做的更大，可以达到1.5A。4）相比于BUCK充电方案，不使用电感等感性器件，电路更简单，对输入端的电压波动有更高的耐受性，可靠性更高。5）开关型的充电控制方式需要监控电池电压变化并且控制充电过程中的电流变化，所以对锂离子电池特性需要更深的了解，软件控制过程较为复杂。