普源可编程直流电源应用

智能手机,无人机,电动汽车等等都离不开电池供电。不管是有线的充电还是无线的充电,最终都是通过外部的充电装置为手机提供电能,再通过手机内部的电源管理电路为电池进行充电。手机内部都有电源管理和充电控制电路,外部的手机充电器是为其提供一定的电压电流,内部的充电电路会根据外部充电设备以及内部电池的情况对输入的直流进行二次转换,再以一定的电压和电流对手机内部的电池进行充电。想搞清楚充电技术,也很有必要了解一些有关锂电池的特性。


· 锂电池的特性概述


我们常用的锂电池其实是属于锂离子电池,锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。那种比较厚重的笔记本里常用的锂电池和特斯拉电动汽车里用的锂电池的电池芯都是18650尺寸的液态锂离子电池(LIB),DS6系列数字示波器和DSA1000系列频谱仪的电池板内部使用的也是。多个电池芯通过串并联以及电池管理组合成高电压,大电流的电池组;手机等常用的锂电池是聚合物锂离子电池(PLB)。液态的能量密度要高一些,聚合物的不存在漏液的问题,也更容易做成各种形状的锂电池。


锂电池的正极和负极采用的材料有多种,目前普遍使用的阴极材料是石墨,阳极的材料则有若干种,采用不同的材料,电池输出的电压电流特性也不同。


越来越多的手机的电池变成了不可拆卸,虽然也可以拆开换电池,增加了拆机的复杂度,除了为了追求轻薄设计之外,貌似还要希望让手机电池的寿命与用户换新手机的速度同步?不知您是否对电池的使用时间敏感,我反正是,不然就不会出于爱好琢磨这些事儿了。为了进一步搞清楚有关手机充电的那些事儿,我专门自购了一块三星NOTE2手机电池,在电池的正负极的金属触点上焊接测试线来做些实测(控制不好,可能存在危险,不建议尝试)。


先看看这块锂电池上标出的3个重要参数,如1所示:


 额定容量:3050mAh;


 标称电压: 3.8V;


 充电限制电压:4.35V;




1:手机锂电池的主要参数


理解这些参数的含义很重要,其实不只是这3个参数,经过一番学习之后,我对锂电池的一些重要参数进行了归纳总结如下:


· 额定容量,指的是在特定的环境温度,按照某一放电倍率把电池放电至终止电压所能提供的容量。有相关的测试标准,比如我国的《蜂窝电话用锂离子电池总规范》规定了在环境温度为20℃±5℃条件下,分别以0.2C和1C的倍率放电至终止电压时所应提供的电量,单位为Ah(安培小时)或mAh(毫安小时)。


· 3050mAh:意味着如果以3050mA的电流放电,可以放电1小时,称为1C放电倍率;如果以1525mA的电流放电,可以放电2小时,称为0.5C放电倍率;如果以620mA的电流放电,可以放电5小时,称为0.2C放电倍率。


· 标称电压:由于锂电池的放电曲线不是线性的,会有一个维持时间比较长的电压比较平坦的区域,对于这块电池来讲的工作电压是3.8V。通常过了这段区域,比如到了3.5V以后,电压和电池的容量都会跌落很快。


· 充电限制电压:电池充足电时,极板上的活性物质已达到饱和状态,再继续充电,会影响电池的寿命,甚至会有发生爆炸的危险,必须加以限制,此时的电压称为充电终止电压。对于这块锂离子电池来讲是4.35V。


· 电池的内阻:越小越好。温度越低,内阻越大;放电越深,内阻越大;随着充放电次数的增加,内阻也会逐渐变大,会直接影响电池的可用容量。同一厂家的不同电池之间的电阻会有10%到15%左右的偏差,不同制造商之间的电池也有10%到15%左右的偏差,所以,那种由多个单体电池通过串并联组成的高电压达容量的电池模块,内部的各个CELL之间的平衡是很重要的。


· 电池的自放电率:充满电的电池即使不用,过段时间容量也会损失,自动损失的电量占总容量的百分比。一般在常温下锂离子电池自放电率为5%左右。


小小的一块手机用锂电池,涉及到很多领域的技术。对于一些网上流传的“想当然的说法”,如果能了解一些相关知识,会有助于搞清楚到底是怎么回事儿。


· 锂电池的充放电需要高精度控制


既然锂电池有这么多的特点,也存在着安全问题,充放电都要严格控制。除了手机内部有电源管理电路,在手机电池的内部,也有过充电压保护,过放电压保护,过电流保护,短路保护电路和温度监测电路。电池内部的电压,电流的保护监测要求高精度,外部的充电电压也要求高精度,所以要求手机内部提供给电池充电的电压精度要达到5%左右,这需要高精度的电源管理芯片来保证。


由于一些线性直流电源具有低纹波噪声,高精度,高分辨率的特点,而且还具有过压,过流,过温保护等功能,适合做这种验证测试,下面我就以一台DP831A为例,取代手机的内部和外部的充电电路,直接为这款手机电池进行充电测试。


· 锂电池充电实测


手机对锂电池的充电过程主要分为几个阶段:预充阶段,恒流充电阶段,恒压充电阶段,充电完成阶段,如2所示。




2:手机对锂电池的充电过程


接下来,我利用一台线性直流电源DP831A代替手机充电器+电源管理电路,直接对手机锂电池进行充电,通过微测来验证这个过程。我把这块手机电池的正负极焊接了引线,接到了一台DP831A的通道1的输出端子上,如3所示。




3:使用直流电源对手机电池进行直接充电


考虑到这款电池的充电限制电压是4.35V,这是非常重要的,不可超过这个电压。我先将这台DP831A的通道1的输出电压设置为4.2V, 0.8A。为了保险起见,也设置了过压保护为4.3V,过流保护为1A。接通开始充电!此时从DP831A的显示上可以看到它工作在CC模式,也就是恒流模式!当前的屏幕显示:3.905V,0.799A,输出功率是3.120W。此时相当于用0.27C对电池进行充电。提高充电电流,将通道1的输出设置改为4.2V,1.0A,此时看到DP831A仍然工作在CC模式,也就是恒流模式!当前的屏幕显示是:3.948V,0.998A,3.940W。此时相当于用0.33C对电池进行充电。3.94W的输出功率大于上面的3.12W的输出功率,此时的充电速度应该更快些。


不想去触及电池的保护,为了保险起见,接下来还是用0.6A对其进行充电吧。将通道1的输出设置为4.2V,0.6A,相当于用0.2C的倍率对电池进行充电,此时看到DP831A工作在CC模式,也就是恒流模式!当前的屏幕显示是:3.880V,0.598A,2.320W。


DP831A不只是一台直流电源,它还具有内置的测量,记录,分析等功能,我也同样可以通过DP831A的录制器功能记录一下手机电池的整个充电的全过程。其实,在上面所述的改变电流之前,我已设置好录制器,并已打开,把上面的几个不同设置情况下的实际输出的电压,电流,功率值都已经记录下来,存储在一个指定的文件里;然后再通过分析器调出记录的文件,进行数据的分析,得到充电电流变化的波形,中的几个上下起伏的波动就是我前面设置不同的充电电流导致的。


由此看出:如果是使用直流电源直接对电池进行充电而不是间接,在安全的情况下,充电器/电源的最大输出电流越大,用越大的电流对电池进行恒流充电,充电速度就越快。就像水龙头打开得越大,往池子里注水的速度就越快一样。


经过了一段时间的充电之后,电池逐步被充满,此时,我们看到DP831A的显示是:4.196V, 0.582A, CV模式。也就是说DP831A根据设定的输出参数和作为负载的电池的当前情况,已经自动地由恒流模式切换到了恒压模式,在继续对电池进行恒压充电。我把DP831A的输出电压值设置到4.35V, 因为电源和电池内部的保护电路都有一点误差余量,发现电池的保护功能没有启动,我也不想去试让它保护。DP831A的通道1又从恒压状态自动回到了恒流模式,继续对电池进行恒流充电。又经过了一段时间的充电之后,电池进一步被充满,此时,我们看到DP831A的显示是:4.346V, 0.508A, 2.208W,CV模式,也就是说DP831A根据设定的输出参数和电池的当前情况,已经自动地由恒流模式切换到了恒压模式,继续对电池进行恒压充电。不敢再升高充电电压了,就让它继续以恒压模式充电,又过了一段时间之后,DP831A的显示电压是4.347V,电流是0.086A,功率时0.374W,充电电流已经很小,可以结束充电了。


如前所述,可以利用像DP831A这种纯净的线性直流电源,由于它还具有录制器,分析器,监测器,触发器等功能,可以还好地完成边充电,边记录的工作。


我这次的实测也利用了它的标配的“录制器”功能,对整个充电过程进行了记录。事先设置好录制器的录制周期,记录数据的路径和文件名。针对充电这种应用,我设成了10秒的录制间隔,经过一段时间之后,充电结束。我通过“分析器”将这期间所录制的电压,电流以及功率值调用出来进行显示,可以看到它们各自的变化曲线,还可以通过标尺读出每个记录点的数值,正如本文前面提到过的,通过这个测试,可以清楚地看到由恒流充电到恒压充电的整个变化过程。

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文章来源北京凡实测控技术有限公司   文章链接:http://www.beijingfanshi.com/PYKBCDYYY

 


2018年10月25日

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