简化锂离子(Li+)电池充电器测试

摘要：由于Li+电池充电器的充电过程会持续一个小时甚至更长的时间，利用实际负载(即电池)对充电器进行测试将非常耗时。本应用笔记介绍了一种简单的Li+电池仿真方法，与采用实际电池进行测试相比，这种方法能够更加方便地测试Li+电池充电器。

概述

锂离子(Li+)电池比其它化学类型的电池更脆弱，对于违规操作具有非常小的容限。因此，Li+电池充电电路比较复杂，要求高精度电流、电压设置。如果无法满足这些精度要求，充电器可能无法将电池完全充满，进而降低电池寿命，或影响电池性能。

鉴于对Li+电池充电器的这些要求，对充电器设计进行完全测试并在整个工作范围内进行分段测试非常重要。然而，采用常规负载(即Li+电池)测试Li+电池充电器将非常耗时，而且在实验室和生产环境中也难于实现。为了简化测试过程，本文给出了一个电池仿真电路，可加快测试速度，在不带实际电池的情况下实现对Li+电池充电器的测试。

CC-CV充电

Li+电池充电过程的第一阶段需要中等精度的恒流(CC)充电，然后在第二阶段过渡到高精度恒压(CV)充电。

图1为用于Li+电池充电器的CC-CV集成电路(MAX1737)的V-I特性曲线。这种类型的IC是消费类产品中所有Li+电池充电器的核心。图中可清楚看出CC (2.6V至4.2V电池电压)和CV (4.2V)区域。

图1. MAX1737的V-I曲线是Li+电池充电器的标准特性曲线。

电池低于2.6V时，需要采用不同的充电技术。如果试图对放电至2.6V以下的电池充电，充电器须提供一个较低的充电电流(“调理电流”)，将电池电压充至2.6V。这是Li+电池过放电时所必须采取的安全机制。VBATT < 2.6V时强行进行快速充电，会使电池进入不可恢复的短路状态。

CC向CV阶段的过渡点的临界容差为±40mV。之所以要求如此严格的容差，是因为如果CV过低，电池将无法完全充满；而CV过高，则会缩短电池的使用寿命。

充电过程终止意味着检测到电池达到满电量，充电器必须断开或关闭。在CV阶段，当检测到充电电流降至快充电流或最大充电电流的一定比例(通常< 10%)时终止充电。

Li+电池充电器参数测试

Li+电池充电器设计通常包括两个基本部分：数字部分(控制状态机)和模拟部分，模拟部分包括带有高精度(优于1%)基准、可精确控制的电流/电压源。对Li+充电器(不仅指IC)进行完全测试是一项非常棘手且耗费时间的工作，不仅仅限于对电流或电压值进行检验。

测试时，应该在整个工作范围对充电器进行分段检测：包括CC阶段、从CC到CV的切换、充电终止等。如上所述，测试的理想情况是采用常规充电器的负载：即Li+电池。然而，由于充电过程需要一小时甚至更长时间，使用Li+电池进行测试非常耗时。根据具体测试条件的不同：例如大容量电池+慢速充电，小容量电池+快速充电以及其它可能组合，测试时间也不尽相同。

此外，充电过程无法在保证不损坏电池的前提下提高充电电流，因为充电电流受电池最大充电速率(即快速充电电流)的制约。对于消费类产品常用的电池，很少规 定电流大于1C (在1小时内将电池完全放电的电流)。因此，大多数情况下完成整个充电周期所需要的时间往往超过两小时。

如果需要重复测试，则需要将电池完全放电—这一过程仅仅比充电稍微短一些。或者，必须能够随时备有完全放电的电池。

另外可以使用一个模拟的理想负载替代真实电池进行负载测试。仿真时，应验证电路的直流响应和动态稳定性。然而，使用功率测试所用的标准负载进行电池仿真非 常困难。与大多数电源测试使用的负载不同，电池不能简单地当作电阻或固定地吸入电流。如上所述，必须在整个工作范围内进行分段测试。以下介绍的Li+充电器测试电路完全满足这些要求。

选择电池模型负载

我们先讨论两种需要考虑的建模方法，但并未采纳这些方法。

电池负载建模的方法之一是：使用一个具有源出(放电)和吸入(充电)电流能力的电压源与代表电池内阻的电阻串联。由于Li+电池要求精确控制终止电压和充电电流，目前所有Li+充电器实际上是稳压电源转换器。

此外，由于稳压电源变换器(充电器)的稳定性取决于负载(电池)的动态特性，因此必须选择一个与模型非常相似的负载。否则，测试只能验证充电器本身的V-I特性。

如果只是进行一次性测试，可以使用并联型稳压器与电阻串联，这足以模拟电池的内阻，并且，这一简单的电池模型完全可以满足测试要求。这种方法的优势是由充电器本身供电。

然而，更严格的测试需要更精确的模型。该模型采用内部电压源，电压值是充电过程中供给电池的总电荷的函数。

用恒流源对电池充电时电压将不断变化，以一定的正斜率上升。这是由于放电和其它电池内部化学变化过程中，电池正极周围累积的极化离子逐渐减少。因此，充电 器的工作点取决于电池连接时间的长短，以及电池的工作历史。采用大多数实验室能够找到的通用器件构建负载，以模拟这一复杂负载的模型很困难。