利用电量计芯片实现双节串联锂电池的快速智能充电

作者:Harson Zhang   模拟现场应用工程师

目前的快速充电方案,在手机市场中有广泛的应用。主流方案有基于处理器厂家高通平台的QC2.0/3.0,和即将应用的4.0标准,MTKPump Express标准,国产手机厂商的闪充。QC快充方案使用了高压输入的提高功率,可以在提高输入功率的同时使用低电流的线缆。闪充技术需要定制大电流的线缆配合,共同点都是应用在单节锂电池的产品上并不能应用在双节串联锂电池的快速充电场合。双节串联的锂电池的典型满充电压达到8.4-8.8V,应用在对讲机、 POS机等终端产品上。 TI针对多节电池的充电方案产品十分丰富,BQ24725A就是一款支持大电流的支持SMBus通信的充电控制器。BQ24725A输出电压支持到最高19.2V,充电电流最大支持到8A以上,输出电压精度控制达到0.5%

使用类似BQ4725A这类集成的充电管理芯片方案对锂电池充电其实十分简单。锂电池直接连接到充电控制芯片BQ24725A的BAT管脚上,配置充电控制芯片的Charge Voltge,Charge Current,以及保护功能的Input Current Limit,使能充电功能即可。Charge Voltage(VCHG)是电芯的最大满充电压,Charge Current (ICHG) 是电芯允许的最大充电电流。典型的锂电池充电特性如下图所示,分为CC(Constant current)和CV(Constant Voltage) 两个阶段。CC阶段恒定以最大充电电流持续对电池进行充电,此时单位时间充入电池的电量是恒定的Q=ICHG*T。随着电池充入电量越来越多,电池电压会上升,当电压上升到最大满充电压时候,充电芯片将控制输出电压为恒定的最大满充电压,此时电流开始逐渐减小,充入电量的增加速度慢慢减慢,总充入电量仍然在增加。直到电流减小到截止电流点,充电芯片停止充电,锂电池达到充满状态。

基于这个管理过程,使用充电芯片BQ24725A对一块对讲机电池(满充电压8.8V)进行充电,并记录下充电过程中的VCHG, ICHGVCELL(电芯侧的电压)。下图所示为基于横坐标的充电时间(分钟)对应的各个参数的变化趋势,可以看到在不到第五分钟,VCHG就达到最大值,ICHG就从峰值的4A电流开始下降,经历了从CC区间到CV区间的切换。最大充电速率的CC阶段4A充电持续时间很短,可以预料,如果要对这块电池完全充满,CV区间将耗费很长的时间。

通过对充电曲线的分析会发现,充电管理芯片的输出电压VCHG和电芯的电压VCELL之间存在压差,导致VCHG达到最大电压8.8V时候,VCELL还没有达到8.0V,这部分的压差可能是充电端到电芯端的阻抗导致的,比如充电器PCB,电池保护板阻抗。另外在对讲机行业普遍使用可插拔的电池,电池分离充电时候,触点和充电座弹片的接触情况也会导致阻抗不确定性。

通过引入电量计芯片配合充电芯片的控制,可以弥补VCHGVCELL的电压差。电量计芯片除了提供电量功能,还采集了电池的电芯电压参数,通过实时访问电量计芯片中的电芯电压VCELL采样结果,根据VCELL电压是否达到最大满充电压来决定是否提高充电芯片的VCHG,维持电池的CC充电状态。直到VCELL达到最大满充电压8.8V进入CV区间,停止提高VCHG,并根据VCELL的继续升高趋势而调低VCHG,维持VCELL8.8V的最大电压,保护电池。通过读取VCELL电压配合变化的VCHG可以达到快速智能的充电管理过程。

配合电量计芯片BQ28Z610,在BQ24725A的评估版上对双节8.8V的对讲机电池的第二次充电测试,记录曲线如下图所示,CC阶段4A持续充电时间达到41分钟,远远长过前一次测试的普通的充电方案。

基于两种充电方案的测试结果对比,利用BQ28z610的电量计芯片和双节电池的充电控制芯片BQ24725A实现了对双节锂电池的快速智能充电。BQ28z610还可以提供电芯的实时电压,温度,电流等参数给管理充电控制的MCU MCU根据实时参数来调整BQ24725A的充电电压,电流,实现实时安全的闭环调整,既能保证电芯的安全充电,又可以最大程度的延长恒流充电的时间,实现快速充电。