2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 1 页 C10L08 BAT 便携式产品中的电池管理策略
课程目标 完成课程后, 你将了解到 : 不同化学电池的基本原理和如何在便携式设计中进行应用 针对应用选择合理的电池管理 便携式电源的新趋势以及选择拓扑结构的关键因素 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 2 页
课程安排 介绍 电池基础和化学特性 常用化学电池的充电算法 设计电池充电管理系统 便携式电源的新趋势 总结 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 3 页
介绍 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 4 页
电池供电应用 典型应用 : 混合电动汽车 医疗设备 媒体播放器 GPS 工具 服务器和计算机等 图像来源 : 制造商 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 5 页
电池基础和化学特性 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 6 页
电池基础 理论电压 (E 0 ) 现行材料类型阳极 ( 氧化极 )+ 阴极 ( 还原极 )= E 0 或电压 (V) 理论容量 ( 库仑 ) 现行材料数量安 - 时 (Ah) 理论能量瓦时 (Wh)= 电压 (V) x 安 - 时 (Ah) 标定能量 ( 瓦时 / 克 ) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 7 页
电池基础 C 速率 I = M x C n 其中 : 示例 1.7Ah 锂离子电池 1C 速率 = 1.7A I = 放电电流 (A) C = 额定容量的数值 (Ah) n = 时间, 以小时来声明 C 的时间 M = C 的倍数或者分数 0.1C 或者 C/10 速率 = 170 ma 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 8 页
电池化学特性 一次性电池 ( 原电池 ) 锌 - 空气电池碳锌电池水银电池锂电池碱性电池 二次电池 ( 蓄电池 ) 镍镉电池 镍氢电池 锂离子 铅酸电池 可充电式碱性电池 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 9 页
电池化学特性比较 化学特性 碱性电池 145 400 1.2 1.6 0.9 NA 铅酸 30-50 50-80 2.0 2.25 1.75 2.8 镍镉 40-80 100-150 1.2 1.3 0.9 1.6 镍氢 60-120 160-230 1.2 1.3 0.9 1.5 锂离子 110-160 210-320 3.6 4.2 2.8 4.2 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 10 页
电池化学特性比较 化学特性 碱性电池铅酸镍镉镍氢锂离子 0.3 100-300 1 0.25C -20 ~ +55 非常低 2-8 2.5-25 300 <15C -20 ~ +50 低 15-20 3.5-300 1500 <10C -40 ~ +60 低 20-25 10-400 500 <3C -20 ~ +60 中 6-10 150-250 1000 <2C -20 ~ +60 高 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 11 页
便携式可充电化学电池比较 电池优点缺点 镍镉 镍氢 锂离子 长周期寿命卓越的负载性能价格经济实惠比镍镉高 30-40% 的容量不易于导致容量 记忆 环境友好高能量密度自放电相对较低低维护 不会产生容量 记忆 能量密度相对较低 环境不友好 如果不合理运用, 会有容量 记忆 有限的周期寿命 有限的负载性能 高自放电 需要保护电路 即使不用, 也会老化 原始成本高 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 12 页
常用化学电池的充电算法 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 13 页
电池充电 第一个问你自己的问题 : 什么算法适合我所使用的电池? 充电算法影响电池的寿命 可靠性和安全性 不同厂家电池的充电参数会有所不同 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 14 页
SLA( 铅酸 ) 充电算法 2.75V 电池电压 2.25V 2.50V 0 1.0C 充电电流 0 0.5C 时间 0.25C 0.01C 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 15 页
镍镉 / 镍氢充电算法 预充恒流充电终止 电池电压 0.8V - ΔV 0 1.0C 充电电流 电池温度 0 0.2C ΔT Δt 0.05C 0 时间 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 16 页
锂离子充电算法 预充恒流恒压充电终止 电池电压 4.2V 2.8V 4.2V 0 1.0C Charge Current 0 0.1C 0.07C 电池温度 0 时间 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 17 页
锂离子调整电压 Capacity vs. Charging Voltage Capacity Loss vs. Undercharge Voltage Capacity - mah 1750 1700 1650 1600 1550 1500 Capacity Loss - % 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 1450 0.0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 4.2000 4.1875 4.1750 4.1625 4.1500 Charging Voltage - V Undercharge Voltage - % 调整电压精度的小幅下降会导致大的容量下降! 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 18 页
电池保护 在锂离子电池芯和壳体内, 为什么需要电池保护? 安全 : 过充锂离子电池会导致电池突然地迅速自动解体 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 19 页
化学电池充电总结 预充铅酸镍镉镍氢锂离子 预充电流 --- 0.1 C 0.1 C 0.1 C 电池电压门限 (V) 2.80 1.50 1.50 4.20 环境温度范围 ( C) -20 至 50 0 至 45 0 至 45 0 至 45 首选终止方法无定时器定时器定时器 快充 快充电流 0.2C > 1 C > 1 C 1 C 电池电压 (V) <2.40 1.50 1.50 4.20 定时器 (hr) 8.0 2.0 1.5 2.0 环境温度范围 ( C) -20 至 50 5 至 40 10 至 40 10 至 40 主终止方法 从终止方法 V CELL 根据温度调节 V CELL - V ΔT/Δ t TCO 定时器 - V 或 0 V ΔT/Δt TCO 定时器 IMIN + 定时器 TCO 定时器 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 20 页
电池充电 第二个问你自己的问题 : 最适合你应用的方案是什么? 独立芯片方案 ( 内置 FET 或外置 FET) MCU 控制方案 集成了负载均衡系统 ( 电源路径管理 ) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 21 页
锂离子电池充电管理系统 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 22 页
充电流程图示例 插入电池 电池检测 ( 充电开始 ) 电池条件检测 预充 充电模式 V BAT > V PTH 警告和执行 是.err 终止侦测 错误 / 故障检测 否证实合格 如果适合会自动再充 充电完成 否 V BAT < V RECHARGE 重复充电模式 SOH 监测 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 23 页
单芯片设计 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 24 页
典型锂离子充电图 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 25 页
裸片温度的热调整和热关断 在 85 C 限热返回以避免高系统温度 Charge Current (ma) 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 R PROG = 1 kω 在 150 C 时热关断 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 Junction Temperature ( C) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 26 页
嵌入式设计 多化学多节电池 充电框图 V IN MCP1631HV V REF DRV + OSC CS ` V BATT COMP FB V REG ISOUT -10 1 ISIN VSIN OVP V REG PWM/TMR2 PWM/TMR1 PIC16F883 A/D A/D I/O I/O Vbat Vtemp 7 3 电池热阻 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 27 页
硬件结构 电池电压采样 500 khz 振荡器 25% 占空比电流参考 PWM 电池温度采样 PIC MCU 或者 dspic DSC 关断和热阻 V+ 显示 LED ( 可选 ) 开关 ( 可选 ) 的开 / 关化学属性和电池数 MPLAB ICD 2 和 PICkit 2 接口 ( 可选 ) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 28 页
多化学电池充电设计 MCP1631HV 介绍 MCP1631 高速 混合信号 PWM ( 脉宽调制器 ) 与微控制器 连接 可开发高速智能电源控制系统 可提供中高级智能控制 ( 通信 定时器 可调电压 电流和低功耗模式等 ) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 29 页
多化学电池充电设计 V IN 10W 功率链降压 - 升压预充恒流恒压充电终止 {- V/ t 或 T/ t} OV/OC 保护安全定时器 LED 显示 V OUT 多节镍氢或者镍镉电池芯 单节或者两节锂离子电池芯 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 30 页
MCP1631 参考设计 电源 电池 ( 可选电热调节器 ) 编程器 I 2 C 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 31 页
电池充电嵌入式设计 典型锂离子充电图演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 32 页
MCU 控制与独立式充电方案 要求空间灵活性成本推向市场的时间设计时间宽输入电压范围 MCU + PWM 控制器 独立式充电芯片 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 33 页
电池充电 影响拓扑选择的系统因数是什么? 效率 充电电流水平 输入电压范围 环境温度 转换开关频率 目标 PCB 面积 可利用的系统资源 与电池通信 成本目标 EMI 考虑 充电时系统负载带电 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 34 页
便携式电源新趋势 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 35 页
便携式电源新趋势议程 电池技术 低自放电镍氢电池 磷酸锂铁 (LiFePO 4 ) 充电管理特性 输入过压保护 系统电源通道管理 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 36 页
出厂保持 85% 电量 约 1000 次充电次数 共同型因数 [AA AAA C 和 D] 与镍氢电池共享充电算法 低自放电镍氢电池 Image Courtesy Sanyo 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 37 页
充电和放电曲线 电池容量 : 800 mah Eneloop MCP1631 RD 是实现这种需求的最快方案, 它通过代码更新可实现高达 12 节镍氢电池的充电 Image Courtesy Sanyo 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 38 页
优点 : LiFePO4 目标大功率 快速充电以及长使用寿命 高充电 / 放电率 小内阻 长使用周期 宽温度范围 环境友好 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 39 页
商业 LiFePO 4 电池 典型特性 (A123 系统, 美国 ) 3.3V 标称电压 3.6V 充电电压 也可在 4.1V 充电, 但会使充电次数减少, 每次充电后会比 3.6V 充入更多电量 充电算法 :CC/CV 最大放电电流 : 70A(25 C) 温度范围 : - 50 C ~ 60 C 典型特性 (PHET, 台湾 ) 3.2V 标称电压 3.6V 充电电压 充电算法 :CC/CV 最大放电速率 15C(25 C) 温度范围 :- 45 C ~ 70 C 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 40 页
A123 系统的 M1 性能 Image Courtesy A123 System 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 41 页
MCP73123 LiFePO 4 充电器 4 个外部元件 LiFePO 4 封装信息 MCP73123 MCP73223 还提供 2 节 LiFePO 4 电池充电器 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 42 页
MCP73123 充电示意图 Battery Voltage (V) 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 Thermal Regulation V DD = 5V R PROG = 1 KΩ 1100 mah LiFePO 4 Battery 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Supply Current (A) 0 10 20 30 40 50 60 70 Time (Minutes) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 43 页
输入过压保护 18V 绝对最大值 4 个外部元件 封装信息 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 44 页
电OVP 门限 = 6.5V OVP 特性 压16 1 (v)电5 0 时间 (ms) 流(A) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 45 页
系统电源路径管理应用 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 46 页
今天我们讨论了 : 总结 各种通用化学电池以及如何安全地对它们进行充电 为便携式应用构造电源 在便携式应用中使用独立式电池管理控制器 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 47 页
应用笔记 参考资源 AN246: Driving the Analog Inputs of a SAR A/D Converter AN693: Understanding A/D Converter Performance AN793: Power Management in Portable Applications: Understanding the Buck Switch Mode Power Converter AN947: Power Management in Portable Applications: Charging Lithium Polymer Batteries AN960: New Components and Design Methods Bring Intelligence to Battery Charger Applications AN968: Simple Synchronous Buck Regulator - MCP1612 AN971: USB Port-Powered Li-Ion/Li-Polymer Battery Charging AN1088: Selecting the Right Battery System for Cost-Sensitive Portable Applications While Maintaining Excellent Quality AN1137: Using the MCP1631 Family to Develop Low-Cost Battery Chargers AN1149: Design A Load Sharing System Power Path Management with Microchip's Stand-Alone Li-Ion Battery Charger AN1260: Li-Ion/Li-Poly Battery Charge and System Load Sharing Management Design Guide With MCP73871 AN1276: Design A Low-Cost Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) Battery Charger With MCP73123 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 48 页
参考资源 MCP73831/2 数据手册,DS21984A_CN MCP73833/4 数据手册,DS22005A_CN MCP73871 数据手册,DS22090A_CN MCP73123/223 数据手册,DS22191A PIC16F684 数据手册,DS41202F_CN PIC12F683 数据手册,DS41211D_CN MCP1631/V/HV/VHV 数据手册,DS22063B_CN 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 49 页
Reference Material 参考资源 David Linden, Thomas B. Reddy, Handbook of Batteries, Third Edition (New York: McGraw-Hill, Inc., 2002). Royal Society of Chemistry http://www.rsc.org MSNBC Technology and Science 8/16/2005 Sanyo http://sanyo.com/batteries/lithium_ion.cfm Rocket Electronics http://www.rocket.co.kr LG Chemistry http://lgchem.com Toshiba http://toshiba.com/ Office of Hazardous Materials Safety, Department of Transportation http://hazmat.dot.gov 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 50 页
商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 dspic KeeLoq KeeLoq 徽标 MPLAB PIC PICmicro PICSTART rfpic 和 UNI/O 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MXDEV MXLAB SEEVAL 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPLAB Certified 徽标 MPLIB MPLINK mtouch Octopus Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail PIC32 徽标 REAL ICE rflab Select Mode Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock 和 ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2009, Microchip Technology Inc. 版权所有 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有 C10L08 BAT 第 51 页