親愛的,我的充電線在哪裡?

作者 : Thong Huynh,ADI 應用工程總監

儘管鉛酸電池、鋰電池和超級電容器都是儲能裝置,但它們的充電/放電特性明顯不同。我們將檢視這些特性,並討論每個特性的充電解決方案。一個好的電池充電器可提供良好的電池性能和耐用性,尤其是在不利條件下充電時...

現今生活中,更常聽到的問題可能是「親愛的,我的電池充電器在哪裡?」電池(尤其是鋰電池)成本的降低和性能的提升,推動了電池供電的儲能和可攜式裝置的穩步成長。此外,超級電容器由於具有獨特的性質,也日益用於各種應用。鉛酸電池是一項已有150年歷史的技術,至今仍廣泛用於汽車、輪椅、踏板車、高爾夫球車和不斷電供應系統(UPS)系統。一旦能量耗盡,這些儲能裝置必須重新充電。

2019年,全球充電IC出貨量為11.6億顆,預計2024年將成長至17.2億顆,年成長率為 8.6%,成長相當穩健。其營收分別為5,181億美元和7,354億美元,複合年成長率(CAGR)為7.3%。1中來自OMDIA的《電源IC市場追蹤 – 2019年》報告顯示了這一成長趨勢。

Figure 1. The world market for charging ICs.

1:全球充電IC市場。

對於更多電力、更長續航里程或執行時間的需求,要求提升儲能裝置使用的電壓。例如,機器人、無人機、電動工具和許多其他事物中使用的鋰電池堆已經從一兩個電池單元增加到多個(最多12個)電池單元。一個12顆鋰電池堆可提供最大50.4V的電壓。在相同電流額定值下,12顆電池的續航時間是1顆電池的12倍。或者,可以將12顆電池並聯以獲得更高的功率,但這種方法會使電流增加12倍。更高的電流會導致更多的傳導損耗,因此不宜採用並聯電池。

具有備用電池的應急照明、UPS備用電源、HVAC等工業系統使用24 VDC電源,即使用24V電池來為這些系統提供備用電源。然而,根據IEC 61131-2和IEC 60664-1標準,24VDC電源在瞬態條件下可升至60V峰值電壓。

在任何一種情況下,裝置都要求充電器解決方案能夠適應更高電池電壓,並能承受瞬態事件期間的更高輸入電壓。

充電器基礎知識

充電器有許多拓撲結構。線性充電器透過功率切換降低電源和電池之間的電壓差。此類充電器效率最低,因為當電源和電池之間的電壓差很大時,功率切換會消耗大量功率。升壓充電器將來自電源的電壓升壓到電池電壓。這種拓撲結構要求電源電壓低於電池電壓。降壓充電器對來自電源的電壓進行降壓,並要求電源電壓高於電池電壓。升壓-降壓充電器可以使用高於或低於電池電壓的電源電壓為電池充電。這種拓撲結構需要四個功率切換(降壓拓撲只需要兩個),而且效率一般不高。

同步整流降壓充電器效率最高,是本文的重點。2顯示一個通用同步整流降壓充電器電路。如今,大多數降壓充電器都在相對較低的電壓下運行。許多充電器的額定輸入電壓僅為28V,有些為40V。如果允許±10%的輸入電壓調節和2V的降壓充電器壓降,那麼額定值28V的充電器實際上只能為5S鋰電池堆(最大)充電。我們將研究一個新的60V輸入充電器IC系列,其支援更高充電電壓——電池電壓高達52V(或12芯鋰電池堆),並且可以承受65V的輸入電壓瞬變。

Figure 2. Generic synchronous rectification buck charger.

2:通用同步整流降壓充電器。

充電器的待機電流應很低以節省能源。Energy Star®規定待機功耗為30mW或更低的手機充電器和其他小型充電器為五星。一星適用於待機功耗為300mW或更高的充電器,其他星級適用於介於兩者之間的其他充電器。Energy Star®目的在降低個人充電器的功耗,這些充電器在不使用時大多也不會拔下來。在任何特定時間,全球有超過10億個此類充電器連接到電網。

儘管鉛酸電池、鋰電池和超級電容器都是儲能裝置,但它們的充電/放電特性明顯不同。我們將檢視這些特性,並討論每個特性的充電解決方案。一個好的電池充電器可提供良好的電池性能和耐用性,尤其是在不利條件下充電時。

鉛酸電池充電器

鉛酸電池是現存最古老的可充電電池,1859年由法國醫生Gaston Planté發明。150年後,它仍然廣泛用於汽車、輪椅、踏板車、電動自行車、高爾夫球車和UPS系統。

鉛酸電池必須緩慢充電。典型充電時間為8到16小時。電池必須始終以充電狀態儲存,定期進行完全飽和充電對於防止硫酸鹽化非常重要。通常的做法是在大約8小時內將鉛酸電池充電至70%,然後再用8小時進行最重要的補足充電。如果鉛酸電池不時接受完全飽和充電以防止硫酸鹽化,則部份充電也沒問題。讓電池長時間處於浮動充電狀態不會造成損壞。

找到理想的充電電壓限值非常重要。高電壓(高於2.45V/單元)可產生良好的電池性能,但由於正極板上的板閘腐蝕,電池使用壽命會縮短。低電壓限值會造成負極板硫酸鹽化。溫度也會影響電池電壓,溫度係數典型值為–5mV/°C(每10°F每電池單元0.028 V)。好的充電器必須補償此溫度係數,以避免電池在高溫時過度充電或在低溫時充電不足。

例如,鉛酸電池充電器控制器 MAX17702 (參見3),支援4.5V至60V的輸入電壓範圍。該元件提供高效率(超過97%)、高電壓、同步降壓解決方案,可為12V/24V/48V鉛酸電池組充電。4a4b顯示了其充電週期和充電效率。

Figure 3. High voltage lead-acid battery charger controller.

3:高壓鉛酸電池充電器控制器。

Figure 4a. MAX17702 lead-acid charging cycle.

圖4a:MAX17702鉛酸充電週期。

Figure 4b. MAX17702 charging efficiency.

4bMAX17702充電效率。

鉛酸電池能量密度低,不適合可攜式裝置。可攜式裝置需要鋰電池。

鋰電池充電器

由於重量輕和具備高能量密度,鋰電池是普遍接受用於可攜式應用、重工業、電驅動和衛星的電池。

鋰電池的維護工作量很少。這種電池沒有記憶效應,不需要故意完全放電就能保持良好狀態。但它需要保護電路,電池堆內部和充電器均需要,以防止短路、過充、熱失控和過度放電。鋰電池如果在1.5V/單元以下保持一周或更長時間,就可能產生枝狀晶體,影響安全性。

為防止過度放電,內建電池保護電路將電池置於睡眠狀態。當電池在放電狀態下儲存,自放電使電壓降至截止點時,就會發生上述情況。常規充電器將這樣的電池視為無法使用,電池包通常被丟棄。高階鋰離子充電器具有喚醒特性或「預充電」功能,可以對由於過度放電而進入睡眠狀態的鋰電池充電。在預充電模式中,充電器應用很小的充電電流以將電壓安全提升到2.2V/單元與2.9V/單元之間,從而啟動保護電路,然後開始正常充電。

在正常充電期間,鋰充電器以恆流恆壓(CCCV)模式運行。充電電流是恆定的,電壓達到設定限值時便不再上升。達到電壓限值時,電池飽和,電流下降到電池不能再接受進一步的充電為止,此時充電終止。每個電池都有自己的低電流閾值。

鋰電池在充電時應始終保持涼爽。鋰電池不能吸收過多電荷。因此,監控電池溫度及其充電電壓以確保電池健康和安全非常重要。良好的充電器必須包含這些特性。

5提供了高階鋰電池充電器的例子。 例如,高效率、高電壓的同步降壓充電器控制器MAX17703 ,設計支援4.5V至60V的寬廣輸入電壓範圍。該元件為最多12芯鋰電池堆提供了完整的充電解決方案。

Figure 5. Advanced, high voltage Li-Ion battery charger circuit.

5:高階高電壓鋰電池充電器電路。

該元件分別為±4%和±1%時提供精準的CCCV充電電流/電壓。當充電電流減小到收尾電流閾值時,充電器進入補充充電狀態;收尾計時器週期結束後,充電器退出充電狀態。當輸出電壓低於充電閾值電壓時,充電器啟動充電週期。這是一個很棒的特性,可以讓長時間留在充電座上的電池保持滿電狀態,而不會消耗太多電力,並且符合Energy Star®要求。該元件可以檢測和預處理深度放電電池,利用預充電特性將其喚醒。為了提供更多保護,該元件會感測電池溫度,使得充電只能在規定溫度範圍內進行。它還有一個輸入短路保護特性,用於在輸入意外短路時防止電池放電。6顯示了MAX17703的充電週期。

Figure 6. MAX17703 Li-Ion battery charging cycle.

6MAX17703鋰電池充電週期。

超級電容充電器

超級電容器相較於電池有一些獨特的優勢,因此越來越符合廣泛應用所需。超級電容器依據靜電原理工作,沒有化學反應,避免了與電池化學儲存相關的壽命問題。其高耐用性允許數百萬次的充/放電迴圈,使用壽命長達20年,比電池高出一個數量級。其低阻抗支援快速充電和放電,幾秒鐘便可完成。另外,它還有適度的長時間保持電荷的能力,這一切使超級電容器非常適合需要快速充放電迴圈的應用。超級電容器還能與電池並聯使用,從而支援負載轉換期間需要暫態峰值功率傳輸的應用。

超級電容器的快速充放電迴圈要求充電器能夠處理大電流,在充電過程中以恆流(CC)模式平穩工作,充電可能從0 V開始,一旦達到最終輸出值,則以恆壓(CV)模式工作。在高電壓應用中,許多超級電容器串聯在一起,需要充電器來管理高輸入和輸出電壓。

超級電容充電器控制器MAX17701專為大電流充電而設計(參見7),可在4.5V至60V的輸入電壓範圍(VDCIN)內工作。輸出電壓可編程,範圍為1.25V至(VDCIN–4 V)。該元件利用外部N-MOSFET提供輸入電源側‘OR’ing’功能,防止超級電容器放電回到輸入端。8顯示了簡單但電流很高的充電曲線。

Figure 7. Supercapacitor high voltage, high current charger.

7:高電壓、大電流超級電容充電器。

Figure 8. MAX17701 supercapacitor charging profile.

8MAX17701超級電容充電曲線。

結論

電池供電的儲能和可攜式裝置的使用穩步成長。對更多電力、更長續航里程或執行時間的需求,要求提升電池堆使用的電壓。在使用24 VDC電源的工業系統應用中,瞬態條件下可以看到60V峰值電壓。傳統充電器解決方案大多以28V輸入為限。得益於高電壓同步降壓充電拓撲結構,ADI的新型充電器解決方案可實現更高的電池堆電壓和充電效率。

鉛酸電池、鋰基電池和超級電容器都是儲能裝置,具有非常不同的充電/放電特性,需要專用充電器才能獲得最優充電解決方案。高階電池充電器還提供充分的保護以保障電池性能和耐用性,尤其是在不利條件下充電時。這些在較新的充電器解決方案中也得到解決。

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