電池管理系統(tǒng)：電池化學(xué)成分如何影響電池充電 IC 的選擇

簡(jiǎn)介

電池供電設(shè)備是現(xiàn)代科技不可或缺的組成部分，它徹底改變了人們的生活，讓很多電子設(shè)備能被隨身攜帶。例如，血糖儀和起搏器等醫(yī)療設(shè)備盡可能地減少了人們生活中的不便，便攜式電動(dòng)工具和無線電等設(shè)備可用于救災(zāi)協(xié)調(diào)等工作，而日常生活中使用的智能手機(jī)和筆記本電腦等電池供電設(shè)備則幫助人們高效工作和連接社會(huì)。

本文將討論四種電池化學(xué)成分（鋰離子、磷酸鐵鋰、鋰聚合物和鎳氫）在 30V 以下電池應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，另外還將介紹適用于這些電池類型的電池充電 IC如何在應(yīng)用中提升電池性能、運(yùn)行時(shí)間和使用壽命。

電池充電 IC 可確保電池充電安全，因此在電池管理系統(tǒng) (BMS) 中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它可與電量計(jì)、電池監(jiān)控器和保護(hù)器配合使用，幫助保護(hù)電池、監(jiān)控電池的健康狀況，并在出現(xiàn)問題時(shí)與 BMS 進(jìn)行通信。

鋰離子(Li-Ion)電池

鋰離子電池常用于筆記本電腦、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車 (EV) 和智能手機(jī)等設(shè)備。這類電池具有較高能量密度和較長(zhǎng)使用壽命，且放電率低，可進(jìn)一步延長(zhǎng)充電間隔時(shí)間。

鋰離子電池的陰極為電池的正極，由鋰化合物制成；而陽極為電池的負(fù)極，通常由碳制成。當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子從陰極流向陽極；反之，當(dāng)它放電為設(shè)備供電時(shí)，鋰離子從陽極流向陰極（見圖 1）。

圖1: 簡(jiǎn)化的電池充/放電示意圖

鋰離子電池也有一些缺點(diǎn)。例如，過度充電或放電時(shí)，其性能會(huì)降低；在極端溫度條件下，它們具有潛在危險(xiǎn)，可能爆炸或著火。

鋰離子電池充電 IC

鋰離子電池充電 IC 用于為鋰離子電池充電，使其可重復(fù)使用。鋰離子充電 IC 可以監(jiān)控電池的電流、電壓和溫度，從而調(diào)節(jié)充電過程。它包括以下充電階段：

1. 涓流充電：此階段通常在電池電壓 (V BATT ) 較低時(shí)使用，例如電池深度放電或斷連時(shí)。在涓流充電期間，充電 IC 會(huì)產(chǎn)生小電流為電池組的電容充電。
2. 預(yù)充電：在此階段，充電 IC 開始對(duì)電池進(jìn)行緩慢充電，使 VBATT 以安全的速度緩慢上升。
3. 恒流（CC）充電：CC 充電也稱為快速充電，意味著電池可以安全承載更大電流。CC 充電階段持續(xù)到 VBATT 達(dá)到滿電電壓或浮充電壓。
4. 恒壓 (CV) 充電：此階段可保證電池的安全運(yùn)行。充電 IC 在 CC 充電期間監(jiān)控 VBATT ，一旦 VBATT 超過電池組中的單電池電壓，就會(huì)切換到 CV 充電。
5. 充電截止：充電截止代表充電的完成，此階段 VBATT 開始衰減。

圖 2 顯示了電池充電 IC 的充電曲線。

圖2: 電池充電曲線

上述電池充電曲線也適用于其他電池類型，包括本文列出的所有電池化學(xué)成分和電池充電 IC。

鋰離子電池充電 IC 和其他鋰離子相關(guān)電池充電 IC 通常還包含一些保護(hù)功能，如過壓保護(hù) (OVP)、短路保護(hù) (SCP) 和電池電壓保護(hù)等。此外，這些 IC 還可能提供可配置的保護(hù)閾值、限值和參數(shù)值，從而適應(yīng)各種BMS應(yīng)用。

以MP2770為例，這是一款單電池開關(guān)充電 IC，可用于智能手表、游戲控制器、無人機(jī)和移動(dòng)銷售點(diǎn)系統(tǒng) (POS)等便攜式應(yīng)用。當(dāng)連接輸入電源時(shí)，MP2770 在充電模式下工作，通過 VBATT 以三種模式之一進(jìn)行充電：預(yù)充電、CC 充電和 CV 充電。未連接輸入時(shí)，MP2770 在升壓模式下工作，由電池供電。

MP2770 集成了一個(gè) 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，可以監(jiān)控輸入電壓 (V IN )、V BATT 、系統(tǒng)電壓 (V SYS ) 和電池電流 (I BATT ) 等。MP2770 還可以配置其他參數(shù)以供靈活應(yīng)用，例如輸入電流限(I IN_LIMIT )、升壓電壓 (V BST ) 和保護(hù)閾值等。

MP2770 采用節(jié)省空間的 QFN-18 (3mmx4mm) 封裝，并提供系統(tǒng)電源路徑管理功能，以實(shí)現(xiàn)高度集成的電池管理系統(tǒng)解決方案（見圖 3）。

圖3: MP2770 典型應(yīng)用電路

除電池充電 IC 外，鋰離子電池和其他鋰離子相關(guān)電池也可成為電池組的一部分。電池組將包含一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)連接的電池。在這種情況下，電池組及其電池管理系統(tǒng)都可受益于電量計(jì)、電池保護(hù)器和監(jiān)控器。

當(dāng)電量計(jì)（例如MPF42791和MPF42793）與電池監(jiān)控器（例如MP2790和MP2797）配合使用時(shí)，它們可以優(yōu)化充電并集成 BMS 的其他必要組件（包括電流采樣電阻器、電池均衡器、用于電池充電時(shí)通信的充電狀態(tài) (SOC) 監(jiān)控器），從而延長(zhǎng)電池的使用壽命

磷酸鐵鋰(LFP)電池

LFP 電池是鋰離子電池的一種變體，其陰極材料由磷酸鐵制成，而不是鎳錳鈷 (NMC) 或鎳鎘 (Ni-Cd)。相比鋰離子電池，LFP 電池具有較低的能量密度和功率密度。因此，鋰離子電池更受空間受限應(yīng)用歡迎，而 LFP 電池在電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、筆記本電腦和其他低壓電池應(yīng)用中并不常見。此外，LFP 電池具有較低的輸出電壓 (V OUT )，這會(huì)使電源設(shè)計(jì)復(fù)雜化，或者需要比鋰離子電池更多的串聯(lián)電池才能達(dá)到最低電壓要求。

但 LFP 電池也有明顯的優(yōu)勢(shì)。它成本較低，在較寬的溫度范圍內(nèi)可保持穩(wěn)定以確保安全，而且它比其他電池類型具有更長(zhǎng)的生命周期，可以承受更多的充放電循環(huán)。憑借這些優(yōu)勢(shì)及其性能的穩(wěn)步提升，LFP 電池也可能會(huì)在低壓應(yīng)用中越來越受歡迎。

LFP 電池充電 IC

LFP 電池充電 IC 的充電階段與鋰離子充電 IC 類似，也包括 CC 充電、CV 充電和充電截止。LFP 電池充電 IC 可以簡(jiǎn)化電池管理系統(tǒng)中對(duì) LFP 電池的管理，因?yàn)樗鼈冃枰?jīng)常調(diào)節(jié)電壓，從而使電池通過 USB 端口甚至太陽能電池板獲得供電。

MP2652是一款適用于電動(dòng)工具應(yīng)用的升降壓充電 IC，專為 2 至 5 節(jié)串聯(lián)電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)（見圖 4）。為保證安全電壓，MP2652 提供 VIN 限制功能，可防止輸入功率 (P IN ) 源過載。此外，該器件還集成了 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) ，可在充電模式和源模式期間進(jìn)行監(jiān)控。(P IN ) source. In addition, the integrated 10-bit analog-to-digital converter (ADC) provides monitoring during charge mode and source mode.

圖4: MP2652 典型應(yīng)用電路

MP2759是另一款適用于工業(yè)醫(yī)療設(shè)備的升降壓充電 IC。它專為 1 至 6 節(jié)串聯(lián)電池組應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其工作電壓最大為 36V DC V IN ，并具有 OR 電源路徑管理功能，可通過外部開關(guān)實(shí)現(xiàn)電池的可靠充電（見圖 5）。

圖5: 帶 OR 電源路徑管理功能的 MP2759

當(dāng)接入輸入電源時(shí)，MP2759 通過四個(gè)階段對(duì)電池充電：涓流充電、預(yù)充電、CC 充電和 CV 充電。其保護(hù)功能包括電池 OVP、過溫關(guān)斷保護(hù)和充電安全定時(shí)器。MP2759還提供狀態(tài)引腳以顯示電源和運(yùn)行狀態(tài)，從而提高可視性。MP2759A與 MP2759 類似，但它提供較窄的負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 窗口。

鋰聚合物電池

鋰聚合物電池常用于智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備等便攜式設(shè)備。這種電池輕薄，形狀和尺寸多樣，可適應(yīng)多種不同的應(yīng)用。

鋰聚合物電池的陽極和陰極與鋰離子電池類似，但使鋰離子在陽極和陰極之間流動(dòng)的電解質(zhì)不同。鋰聚合物電池采用固體聚合物電解質(zhì)，更加靈活并有助于減輕重量。

鋰聚合物電池還具有較低的自放電率和較高的能量密度，因此可以保持存儲(chǔ)的能量，并提供更長(zhǎng)的電池壽命。然而，任何物理損壞或過度充/放電都可能導(dǎo)致電池膨脹甚至著火。而且，這種電池標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，因此有時(shí)無法應(yīng)用于不同的設(shè)備。

鋰聚合物電池充電 IC

鋰聚合物電池充電 IC 的功能與鋰離子/磷酸鐵鋰電池充電 IC 類似。它們不僅充電曲線相同，還同時(shí)具備電壓和電流調(diào)節(jié)、安全保護(hù)以及防止過充和過熱的智能充電算法等優(yōu)點(diǎn)。這些特性有效延長(zhǎng)了鋰聚合物電池的使用壽命。

兼容鋰離子電池的充電 IC 也兼容鋰聚合物電池，例如 MP2770、MP2652 和 MP2759。

鎳氫 (NiMH) 電池

鎳氫電池常用于數(shù)碼相機(jī)和便攜式電動(dòng)工具。與標(biāo)準(zhǔn)電池不同，鎳氫電池可以充電并重復(fù)使用。

鎳氫電池的陰極是鎳基，陽極通常為可吸收氫的合金，另外還采用堿性電解質(zhì)來促進(jìn)陽極與陰極之間的離子流動(dòng)。

鎳氫電池具有高能量密度和低自放電率，因此可以在較長(zhǎng)的非活動(dòng)時(shí)間內(nèi)保持電量。但這種電池只能提供每電池 1.2V 電壓，這限制了其應(yīng)用范圍；且不完整的充/放電周期也會(huì)對(duì)其最佳充/放電能力產(chǎn)生負(fù)面影響。

鎳氫電池充電 IC

盡管鎳氫電池與鋰電池的化學(xué)成分完全不同，但它們的充電 IC 均遵循所有充電 IC的基本規(guī)則，即二者都能為電池和電池充電器提供多種保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)控與配置功能。鎳氫電池充電 IC 還能跟蹤 VBATT 的變化，從而調(diào)節(jié)充電過程。

MP270x 系列器件（包括MP2700、MP2702和MP2703）均為線性電池充電 IC，可用于 2 至 6 節(jié)鎳氫電池應(yīng)用。該系列的每款充電 IC 都具有高達(dá) 26V 的耐受電壓，并分四個(gè)階段為電池充電：涓流充電、預(yù)充電、CC 快速充電和 CV 充電。

用戶可根據(jù)應(yīng)用需求選擇適合的充電 IC 功能，例如 PIN 監(jiān)控（MP2702 和 MP2703）、充電狀態(tài)指示（MP270x 系列），以及可啟用整個(gè)芯片的使能 (EN) 引腳 (MP2702)。還可選擇內(nèi)存以配置輸入電流限 (I IN_LIM )、最小 VIN 限制和電池滿電電壓等參數(shù)。圖 6 所示為 MP2702 的典型應(yīng)用電路。

圖6: MP2702 典型應(yīng)用電路

結(jié)語

電池供電設(shè)備改變了人們與世界連接的方式，而它們的充電方式對(duì)其功能和持久使用至關(guān)重要。 本文探討了多種電池化學(xué)成分以及這些化學(xué)成分對(duì)低壓系統(tǒng)電池管理系統(tǒng) (BMS) 的影響。

盡管電池均遵循通用的充電規(guī)范，但化學(xué)成分的不同使其典型應(yīng)用也有所不同，因此需要兼容的充電 IC 來確保其安全性和效率。但即使是適用于相同電池化學(xué)成分的充電 IC，適合的應(yīng)用也可能不同，例如 MP2652非常適合電動(dòng)工具，而MP2759A則是醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。

MPS 提供豐富的電池充電 IC產(chǎn)品組合，包括線性電池充電 IC和3 節(jié)及以上串聯(lián)電池的充電 IC，這些產(chǎn)品幾乎涵蓋了所有應(yīng)用。對(duì)于電池組中的電池，MPS 還提供電量計(jì)、電池保護(hù)器以及監(jiān)控器來提供額外的保護(hù)和功能，從而優(yōu)化 BMS 的整體性能。

審核編輯 黃宇