快速充电技术解析及解决方案集锦

ljm 2014-10-17 9842

电池充电/放电

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描述

　　十年磨一剑，点击了解>>车载多功能快速充电器方案，兼容所有安卓快充手机机型。

随着各种蓄电池的广泛使用，快速充电技术已经引起人们的广泛重视。传统的充电方法充电时间过长，且由于充电过程过于简单而会使蓄电池寿命缩短，因此已经面临淘汰。相应的，一些新的快速充电方法开始涌现，并已应用于生产实践中。本文中从快速充电原理、电路特点、相关解决方案及参考设计进行全面解析与分享。

　　快速充电原理

　　蓄电池的种类很多，目前应用最广的主要是密封铅酸蓄电池和镍镉电池。这2种蓄电池的充放电原理都是一样的，即都是通过化学反应产生正负离子形成电流。

　　电池在充放电的过程中会产生氧气，在密封式蓄电池中，这些正极产生的氧气可以通过隔膜和气室被负极吸收，整个化学反应形成一个循环的反应形式。就密封式电池而言，它的内压有限，因此负极的吸收速度也是有限的。如果充电电压过高，正极产生氧气的速度过快，负极的吸收速度跟不上氧气的产生速度，长时间之后必然造成电池失水，从而诱发电池的微短路硫酸化等失效现象，损害电池的质量，缩短其使用寿命。同时高速率充电时电池的极化会造成电池内部压力上升，电池温度上升，电池内阻升高，这不仅会缩短电池寿命，而且有可能对电池造成永久性伤害。蓄电池的这一化学反应原理是研究制定快速充电方法的根本。一方面，快速充电要尽量加快电池的化学反应，使充电速度得到最大的提高;另一方面，又要保证负极的吸收能力，使其能够跟得上正极氧气产生的速度，同时要尽可能消除电池的极化现象。

　　提高蓄电池的化学反应速度有2种方式，一是改进蓄电池的结构以降低其内阻和提高反应离子的扩散速度，二是改进蓄电池的充电方法。

　　快速充电电路特点

　　1、输出电压设定好后（例如36V），若被充电瓶极板脱落断开，造成某组电池不通，或出现短路，则电瓶端电压即降低或为零，这时充电器将无输出电流。

　　2、若被充电瓶电压偏离设定电压，如设定电压为36V，误接24V、12V、6V电瓶等，充电器也无输出电流，若设定为24V误接为36V电瓶，由于充电器输出电压低于电瓶电压，因而也不能向电瓶充电。

　　3、充电器两输出端若短路时，由于充电器中可控硅SCR的触发电路不能工作，因而可控硅不导通，输出电流为零。

　　4、若使用时误将电瓶正负极接反，则可控硅触发电路反向截止，无触发信号，可控硅不导通，输出电流为零。

　　5、采用脉冲充电，有利于延长电瓶寿命。由于低压交流电经全波整流后是脉动直流，只有当其波峰电压大于电瓶电压时，可控硅才会导通，而当脉动直流电压处于波谷区时，可控硅反偏截止，停止向电瓶充电，因而流过电瓶的是脉动直流电。

　　6、快速充电，充满自停。由于刚开始充电时电瓶两端电压较低，因而充电电流较大。当电瓶即将充足时（36V电瓶端电压可达44V），由于充电电压越来越接近脉动直流输出电压的波峰值，则充电电流也会越来越小，自动变为涓流充电。当电瓶两端电压被充到整流输出的波峰最大值时，充电过程停止。经试验，三节电动车蓄电池36V（12V／12Ah三节串联），用该充电器只需几个小时即可充满。

　　7、电路简单、易于制作，几乎不用维护及维修。

　　快速充电技术探讨：

　　关于快速充电技术的探讨

　　实现蓄电池快速充电的技术途径

　　相关快速充电解决方案及参考设计如下文。

TI可编程多化合物快速充电管理参考设计

　　描述

　　该参考设计是可编程的单片 IC 解决方案，适用于单化学物或多化学物应用中对镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）或锂离子（Li-Ion）电池的快速充电管理。其会选用合适的电池化学物（镍或锂），并使用最佳的充电和终止算法执行操作。该过程消除了不良充电、充电不足或过度充电的情况，并确保快速充电的精确度和安全终止。

　　特性

　　串联电池数：1S 至 25S

　　最大输入电压：25V

　　最大充电电流：1A

　　拓扑结构：开关模式

　　原理图：

　　蓄电池

　　相关器件：

　　1.BQ2000 具有峰值电压检测终端的多化合物、开关模式充电管理 IC

　　结构框图：

蓄电池

　　相关终端应用：

　　IP 电话：无线

　　心电图（ECG）

　　详细资料：BQ2000 多化合物、开关模式充电管理 IC

　　2.BQ24170 1.6MHz 同步开关模式锂离子和锂聚合物独立电池充电器

　　功能框图：

蓄电池

　　相关终端应用：

　　平板电脑：多媒体

　　视频会议：基于 IP 的 HD

　　详细资料：BQ24170 1.6MHz 同步开关模式锂离子和锂聚合物独立电池充电器

安森美快速充电解决方案详解

　　随着手机的屏幕越来越大，处理器的性能越来越强并升级多核。为保证续航，手机的电池容量也变大，这样造成充电时间不可避免的变长。如何缩短充电时间已成为手机应用的一大瓶颈。相继出现基于不同厂商的快速充电解决方案，能够短暂的时间内有效提升充电效率。

　　1. 方案框图

　　图示 On Semi方案框图

　　2.方案特点

　　· 通过频率反走和跳周期模式，减少待机功耗

　　· 可通过光耦触发低功耗关闭模式

　　· 无损过功率补偿

　　· 基于定时器的过功率保护

　　· 输出短路保护

　　· 动态自供电的高压启动

　　· 欠压监测功能

　　· 有源 X2 电容放电

　　· 严重故障时闩锁

　　· 自动恢复或闩锁选择的过流保护

　　· 空载待机能耗 < 30 mW

　　· 可调功率过载保护

　　3.本解决方案主要芯片：

　　NCP1247是一个新的具有动态自供电功能的固定频率电流模式PWM控制器。

　　蓄电池

　　NCP1247应用实例框图
蓄电池

　　NCP1247内部结构框图

　　详细资料：NCP1247：固定频率电流模式控制器，用于反激式转换器

　　NCP4303A / B是一个全功能的控制器和驱动器适合于开关电源电路，实现同步整流。

蓄电池

　　NCP4303应用实例框图
蓄电池

　　NCP4303内部结构框图

　　详细资料：NCP4303：开关电源通用同步整流驱动器

　　4.On Semi方案照片

蓄电池

基于FAN501的快速充电解决方案详解

　　1.方案框图

蓄电池

　　Fairchild方案框图

　　2.方案特点

　　· 输出短路保护

　　· 毫瓦节省技术提供超低的待机功耗，很容易满足“能源之星 V5.0”

　　· 恒压控制时，根据输入电压，有两段固定的 PWM 工作频率 140kHz/85kHz

　　· 高压启动

　　· 断续和连续工作模式实现恒流控制，无需次级反馈电路

　　· 在连续工作模式有较高的功率密度和转换效率

　　· 调频减少 EMI 噪声

　　3.本解决方案主要器件：

　　FAN501 − 用于充电器应用的离线 DCM/CCM 反激式 PWM 控制器

　　此先进的 PWM 控制器 FAN501 简化了要求对输出进行恒流调节的隔离电源的设计。利用变压器初级端的信息，并通过内部补偿电路进行控制，去除输出电流检测损耗，消除外部 CC 控制电路，从而精确估计输出电流。具有极低工作电流（250 µA）的间歇模式可最大化轻载效率，因此符合世界范围内待机模式效率指导准则。

　　产品特性

　　1）WSaver® 技术提供能量之星 5 星级（30 mW）的超低待机功耗

　　2）在非连续导通模式（DCM）和连续导通模式（CCM）下，无需次级端反馈电路即可实现恒流（CC）控制

　　3）双频率功能根据输入电压改变开关频率（140 kHz/85 kHz），从而最大化变压器利用率并提高效率

　　4）在典型的 10 W 到 15 W 紧凑型充电器应用中，CCM 模式运行中具有较高的功率密度和转换效率

　　5）抖频可降低 EMI 噪声

　　6）高压启动

　　7）通过外部电阻调整实现恒流调节，从而精确限制最大输出功率

　　8）通过斜坡补偿实现峰值电流模式控制，从而避免次谐波振荡

　　9）通过外部 NTC 电阻实现闩锁模式下的可编程过温保护

　　10）VS过压保护（闩锁模式下），VS欠压保护（自重启模式下），VDD过压保护（自重启模式下）

　　11）采用 MLP 4X3 封装