充电器基础知识以及电量计分区为何如此重要

电池充电系统的关键组件是充电器本身和电量计，电量计可电池充电状态 (SOC)、电量耗尽时间和充满电时间等指标。电量计可在主机端或电池组中实现（见图 1）。

当在电池组中实施时，电量计需要非易失性存储器来存储电池信息。电源路径上的 MOSFET 可监控充电/放电电流并防止危险情况。Analog Devices 的 MAX17330 等设备是一种电池电量计，具有内置保护电路和电池充电器功能（见图 2）。

图 2. 带有充电 MOSFET 调节器的电量计框图。图片由 Bodo’s Power Systems 提供

图 3. 高压/大电流快速充电系统框图。图片由 Bodo’s Power Systems提供

充电MOSFET可以精细调节，以实现线性充电器，当充电源限制为 5 V 且充电电流在 500 mA 范围内时，该充电器可以用作独立设备。由于锂电池充电超过 3.6 V 的充电曲线的 99%，因此功耗有限。

通过在充电器前面使用降压转换器来调节其输出电压，可以适应高压充电源和高充电电流（见图 3）。这还可以限度地减少压降，从而降低充电 MOSFET 上的功耗（见图 4）。

图 4. 使用降压转换器调节输出电压，以高效率实现 10 A 充电电流。此处显示的是 MAX20743 降压转换器，V IN = 12 V。图片由 Bodo’s Power Systems提供

在电池组中安装电量计可使电池变得智能，从而实现充电方案和功能。例如，电量计可以在其非易失性存储器中存储适合电池组内电池的充电配置文件。这还具有从主机微控制器单元 (MCU) 卸载充电的额外好处。现在，主机 MCU 只需管理来自电池组的 ALRT 信号，即可根据收到的警报类型增加/减少降压转换器的输出电压。

CP：热量限制→降低电压。
CT： MOSFET 温度限制→降低电压。
电压降： → 增加电压

图 5.  3.6 V 锂电池的单电池快速充电。图片由 Bodo’s Power Systems  [PDF]提供

CP 是保护 MOSFET 中流动的电流可能影响散热时设置的标志。CT 是 MOSFET 温度过高时设置的标志。热量限制和 MOSFET 限制设置使用 nChgCfg1 寄存器组进行配置。

可编程降压转换器（如 MAX20743）使用 PMBus 实现输出电流的精细调节。降压转换器中的集成 MOSFET 支持高达 10 A 的充电电流。此外，由于 PMBus 使用 I 2 C 作为物理层，因此可以使用单个 I 2 C 总线来管理降压转换器和电量计。

以下示例显示了对单个 3.6 V 锂电池进行充电的方法。图 5 显示了充电系统中电压和电流的时域形状。具体来说，该图显示了电池电压、电池电流和降压转换器的输出电压。

降压转换器输出 (VPCK) 设置为高于电池电压 50 mV。此输出电压不断增加，以避免电压跌落，并降低总功耗。

电池安全管理

由于快速充电涉及高电流，OEM 必须能够保证安全充电。因此，智能快速充电器必须监控几个重要参数作为其整体电池管理的一部分。例如，通过监控电池温度和环境/室温，快速充电器可以根据电池制造商的规格和建议确定何时降低充电电流和/或降低终止电压以确保安全并延长电池寿命。

图 6.六区 JEITA 温度范围。图片由Bodo’s Power Systems 提供  

图 7. 带有状态机的分步充电配置文件，用于管理阶段之间的过渡。图片由 Bodo’s Power Systems  [PDF]提供

电压和电流可以根据温度进行调整，以符合六区 JEITA 温度设置（见图 6）以及基于电池电压的三区分步充电。

使用根据电池电压改变充电电流的阶梯式充电配置可以进一步延长电池寿命。图 7 显示了使用三个充电电压和三个相应充电电流的阶梯式充电配置。可以通过状态机管理阶段之间的转换（另请参见图 7）。

请注意，电流、电压和温度都是相互关联的（见表 1 和表 2）。

在第 2 部分中，我们将探索使用评估套件和 Raspberry Pi 开发板实现并联电池快速充电系统。

图 8. 为防止交叉充电，当电池 ΔV >400 mV 时，高压电池的放电将被阻止。图片由 Bodo’s Power Systems提供 

电池快速充电要点

将充电和电量计功能从主机端移至电池组，允许在 1S2P 配置中单独控制每个电池。智能充电器本身可以根据充电配置管理自己的输出，而不需要主机 MCU 来全面管理充电。由于主机端的管理仅限于管理电量计生成的 ALRT 信号，因此系统可以轻松适应不同的电池组。