新充电器解决方案可实现更高的电池组电压和更高的充电效率

在世纪之交，成本的降低和电池性能的提高，特别是基于锂离子电池的电池，推动了电池供电的储能和便携式设备的稳定增长。此外，超级电容器（又名超级电容器）由于其独特的特性，越来越多地用于各种应用。铅酸电池是一项拥有 150 年历史的技术，至今仍广泛用于汽车、轮椅、踏板车、高尔夫球车和不间断电源 （UPS） 系统。这些储能设备一旦能量耗尽就必须充电。2019年全球充电IC出货量为11.6亿个，预计到2024年将增长到17.2亿个，年增长率为8.6%。收入分别为5，181亿美元和7，354亿美元，复合年增长率为7.3%。图1显示了这一趋势，根据OMDIA的“功率IC市场跟踪器-2019”。1

图1.充电IC的世界市场。

对更大功率的需求，以及更长的范围或运行时间，决定了储能设备中使用的电压的增加。例如，锂离子电池组已经从一个或两个电池变为多个（最多12个）电池，用于机器人，无人机，电动工具和许多其他事物。12 节锂离子电池组提供 50.4 V 的最大电压。在相同的额定电流下，12 芯电池的使用寿命是 12 节电池的 12 倍。或者，可以并联 12 个电池以获得更高的功率，但这种方法会增加 12× 的电流。较高的电流会导致更多的传导损耗，因此不首选并联电池。

带备用电池的应急照明、UPS 备用电源和 HVAC 等工业系统使用 24 V直流电源 — 即使用 24 V 电池来备份这些系统。The 24 V直流然而，根据IEC 61131-2和IEC 60664-1标准，电源在瞬态条件下的峰值电压可能会上升到60 V。

无论哪种情况，设备都需要能够适应更高电池电压并在瞬态事件期间承受更高输入电压的充电器解决方案。

充电器基础知识

有许多充电器拓扑。线性充电器通过电源开关降低电源和电池之间的电压差。这种类型的充电器效率最低，因为当电源和电池之间的电压差很大时，它会在电源开关上消耗大量功率。升压充电器将电源电压升压至电池电压。这种拓扑要求电源电压低于电池电压。降压充电器降低电源电压，并要求电源电压高于电池电压。降压-升压充电器可以使用高于或低于电池电压的电源电压为电池充电。这种拓扑需要四个电源开关（降压需要两个），并且通常效率不高。

同步整流降压充电器效率最高，也是本文的重点。图2所示为通用同步整流降压充电器电路。如今，大多数降压充电器的工作电压相对较低。许多充电器的额定输入电压仅为 28 V，有些为 40 V.允许 ±10% 的输入电压调节和降压充电器两端的 2 V 压降，实际上只能为 5S 锂离子电池组充电（最大值）。我们将研究一个新的60 V输入充电器IC系列，该系列允许更高电压充电（高达52 V电池电压（或12节锂离子电池组），并且可以承受65 V输入电压瞬变。

图2.通用同步整流降压充电器。

充电器的待机电流应较低，以节省能源。能源之星为手机充电器和其他待机功耗为 30 mW 或更低的小型充电器分配五颗星。一颗星是 300 mW 或更高的充电器，介于两者之间的其他所有产品还有其他额定值。能源之星旨在减少个人充电器的电流消耗，这些充电器在不使用时大多是插电的。在任何给定时间，全球有超过10亿个这样的充电器连接到电网。®

尽管铅酸电池、锂离子电池和超级电容器都是储能器件，但它们具有非常独特的充电/放电特性。我们将研究这些特性，并讨论每个特性的充电解决方案。良好的电池充电器可提供电池性能和耐用性，尤其是在不利条件下充电时。

铅酸电池充电器

铅酸是现存最古老的可充电电池，由法国医生加斯顿·普兰特于 1859 年发明。2一百五十年后，它仍然广泛用于汽车、轮椅、踏板车、电动自行车、高尔夫球车和 UPS 系统。

铅酸电池必须缓慢充电。典型的充电时间为 8 到 16 小时。电池必须始终以充电状态存储，并且定期完全饱和充电对于防止硫酸盐化至关重要。通常的做法是在大约 70 小时内将铅酸电池充电至 8%，再用 8 小时进行最重要的吸收充电。如果铅酸偶尔收到完全饱和的电荷以防止硫酸化，则部分充电是可以的。长时间将电池置于浮充状态不会造成损坏。

找到理想的充电电压限值至关重要。高电压（高于2.45 V/节）可产生良好的电池性能，但由于正极板上的网格腐蚀而缩短了使用寿命。低电压限制受负极板上硫酸盐化的影响。温度也会影响电池电压，典型值为 –5 mV/°C（每节电池每 10°F 0.028 V）。3一个好的充电器必须补偿这个温度系数，以避免电池在热时过度充电或在冷时充电不足。

例如，MAX17702（见图3）是一款完整的铅酸电池充电器控制器，设计工作在4.5 V至60 V输入电压范围。该器件提供高效率（超过 97%）、高电压、同步降压解决方案，可为 12 V/24 V/48 V 铅酸电池组充电。图4a和4b显示了其充电周期和充电效率。

图3.高压铅酸蓄电池充电器控制器。

图 4a. MAX17702 铅酸充电周期

图 4b. MAX17702 充电效率

铅酸电池能量密度低，不适合便携式设备。这就是锂基电池发挥作用的地方。

锂离子电池充电器

锂离子电池因其重量轻和高能量密度而成为便携式应用、重工业、电动动力总成和卫星的普遍接受的电池。

锂离子电池是一种低维护电池。电池没有记忆，不需要锻炼（故意完全放电）即可保持良好状态。但它需要内置在电池组内部和充电器中的保护电路，以防止短路、过充电、热失控和过放电。如果锂离子电池在低于 1.5 V/电池的情况下停留一周或更长时间，则可能会形成可能危及安全性的枝晶。

为了防止过放电，内置电池保护电路使电池进入睡眠状态。当将电池存放在放电状态下时，会发生这种情况，在该状态下，自放电会将电压带到截止点。普通充电器将此类电池视为无法使用，并且电池组经常被丢弃。先进的锂离子电池充电器包括唤醒功能或“预充电”，以便在锂离子电池因过度放电而入睡时进行充电。在预充电模式下，充电器施加小充电电流，将电压安全地提高到 2.2 V/节和 2.9 V/节之间，以激活保护电路，此时开始正常充电。

在正常充电期间，锂离子充电器在恒流恒压 （CCCV） 下运行。充电电流是恒定的，当达到设定的限值时，电压被封顶。达到电压限制时，电池饱和;电流下降，直到电池无法再接受进一步充电并且充电终止。每个电池都有自己的低电流阈值。

锂离子电池在充电时应始终保持凉爽。锂离子不能吸收过充电。因此，监测电池温度及其充电电压以确保电池健康和安全非常重要。一个好的充电器必须包括这些功能。

图5显示了一个高级锂离子电池充电器的示例。MAX17703为高效率、高电压、同步、降压充电器控制器，设计工作在4.5 V至60 V宽输入电压范围。该器件为多达 12 个锂离子电池组提供完整的充电解决方案。

图5.先进的高压锂离子电池充电器电路。

该器件分别提供 ±4% 和 ±1% 的精确 CCCV 充电电流/电压。当充电电流降至锥形电流阈值时，充电器进入充充状态，然后在锥度计时器周期过后退出充电。当输出电压低于再充电阈值电压时，充电器启动再充电周期。如果长时间留在充电座中，这是一个很好的功能，可以保持电池充满电，而不会使用太多功率并符合能源之星的要求。该设备可以检测深度放电的电池并进行预处理，并通过预充电功能唤醒它们。为了增加保护，该器件会感应电池温度，并仅在温度范围内充电。还有输入短路保护功能，可防止输入意外短路时电池放电。图6给出了MAX17703的充电周期。

图6.MAX17703锂离子电池充电周期

超级电容器充电器

超级电容器越来越多地用于各种应用，这要归功于它们相对于电池的独特优势。超级电容器基于静电原理工作，没有化学反应，避免了与电池化学存储相关的寿命问题。它们的高耐用性允许数百万次充电/放电循环，使用寿命长达 20 年，比电池高一个数量级。它们的低阻抗可在几秒钟内实现快速充电和放电。这一点，再加上它们在长时间内保持电荷的适度能力，使超级电容器成为需要短充电和放电周期的应用的理想选择。它们还与电池并联使用，用于在负载转换期间需要瞬时功率输送峰值的应用中。

超级电容器的短充电和放电周期要求充电器处理大电流，并在充电期间以恒流 （CC） 模式平稳工作，充电可能从 0 V 开始，一旦达到最终输出值，则在恒压 （CV） 模式下工作。在高压应用中，许多超级电容器串联连接，需要充电器来管理高输入和输出电压。

MAX17701（见图7）为高效率、高电压、同步、降压型超级电容充电器控制器，设计用于大电流充电，工作在输入电压范围（V糖尿病肾上腺素） 的 4.5 V 至 60 V。输出电压可编程范围为 1.25 V 至 （V糖尿病肾上腺素– 4 V）。该器件使用一个外部 N-MOSFET 来提供输入电源侧 OR‘ing 功能，从而防止超级电容器放电回输入端。图8显示了简单但高电流的充电曲线。

图7.超级电容器高电压、大电流充电器。

图8.MAX17701超级电容充电曲线

结论

电池供电的储能和便携式设备的使用稳步增长。对更大功率的需求，以及更长的范围或运行时间，决定了电池组中使用的电压的增加。在采用 24 V 电压的工业系统中的应用直流电源在瞬态条件下可以看到 60 V 峰值电压。传统充电器解决方案大多限制为 28 V 输入。ADI公司较新的充电器解决方案采用高压、同步降压充电拓扑结构，可实现更高的电池组电压和更高的充电效率。

铅酸电池、锂基电池和超级电容器都是具有非常独特的充电/放电特性的储能设备，需要专用充电器才能获得最佳充电解决方案。先进的电池充电器还提供足够的保护，以提供电池性能和耐用性，尤其是在不利条件下充电时。这些在较新的充电器解决方案中也得到了解决。

审核编辑：郭婷