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鋰離子電池充電控制器之研製

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电源

鋰離子電池充電控制器之研製鋰離子電池充電控制器之研製鋰離子電池充電控制器之研製

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明 道 學 術 論 壇
1(1):31-42(2005)
MingDao Journal 1(1):31-42(2005)
Copyright@2005 MingDao University
鋰離子電池充電控制器之研½
林慧英
1,*
1
鍾翼½
2
曾國境
3
大葉大學電機工程學系學生
2
大葉大學電機工程學系副教授
3
大葉大學電機工程學系助理教授
本文之主要研究動機乃在研½½單價之車充充電器,改善傳統鋰離子電池充電方式,
½在不½響電池之循環½用½½的條件下,½夠縮短充電所需時間,並且提高充電效½並
依據鋰離子電池充電特性研究其基本原理、功½及特點,並½½量測一個實例。
關鍵字:電池充放電、鋰離子電池
*通訊½者. Tel.:04-8321247
E-mail address:s8803031@ms68.hinet.net
31
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鋰離子電池充電控制器之研½/林慧英等
壹、前言
近年來,各種攜帶式的電子產品成為
市場上的熱門,如手機、數½相機、筆記
型電腦等
3C (Computer, Communication,
Consumer Electronics)等等產品均朝向無
線化、可攜帶化方向發展,對於產品的各
項高性½元件也往「輕、薄、短、小」的
目標邁進,因此對於體積小、重量輕、½
量密度高的二次電池需求相當迫切,因此
如果沒有”電池”的供應,英雄亦無用武之
地,所以電池工業也½隨著科技產品的腳
步,研發出各種不同用途的電池,來符合
攜帶式電子裝備的需求,½可攜式的電子
產品攜帶更方便,½用時間更長等½處。
然而目前電池的主流是以鎳氫電池及鋰離
子電池取代先前的鎳鎘電池,特別是鋰離
子電池為主流。鋰離子電池具有工½電壓
高(3.7V)、½量密度大(120Wh/kg)、重量
輕、½½長及環保性½等優點,皆以鋰離
子電池做為其½來源,因此電子產品的½
用量迅速成長,各種可摧帶式電子產品的
研發不得不更輕薄短小以½產品½更具有
競爭力,”電池”的角色顯得更加重要,其
品質的良莠甚至決定了產品的成功與否,
特別是可充電之二次電池,在市場中成長
快速、利½高,目前已成為許多先進國家
競相發展的研究項目。[1]-[9]
效率的½用電池,過去已有諸多的文獻研
發了許多快充技術,而快速充電器的目的
是為了縮短充電時間、延長電池½½和½
電池安全的充電。[10]
電池充電時,電子由充電器外部經過
負極的碳材料,而同時正極材料的鋰離子
則 離 開 正 極 經 過 電 解 液 進 入 負 極
;放
時,電子和鋰離子則反向而行。正常½用
下,鋰離子電池的充放電循環½½可達
500
次(即
500
次時,電容量仍在原容量
80%以上)。鋰離子電池充½時,在無負載
時電壓為
4.1~4.2V
電½若是½於
3.2V
右會產生電壓陡降,一般手機會以沒電來
表示,事實上是電壓不足不½再工½了。
½的充電器是依照鋰電池特性而設計的。
第 一 段 充 電 是 定 電 流 充 電
(0.5C~1C
電) 等到
90%額定電壓時再以定電壓充電
的方式讓電池達到最½電容量狀量。可再
充電鋰離子電池在很多方面比其他電池具
有優勢,主要是鋰離子電池具有高½量密
度、高工½電壓及平穩放電特性等優點,
½其更適合用½攜帶型應用的電源。
鋰電池提供了較高的½量密度(可高
200 Wh/kg,300-400 Wh/L)以及較高的
電池電壓(以碳為½極的電池為
4.1V,以
石墨為½極的電池是
4.2V)。電池½½的
關鍵是選擇合適的電流、電壓和溫度等充
電參數。在充電期間所½用電壓的精度對
於電池的效率和½½有非常重要的½用。
超過截止電壓會導致過度充電,短期來看
是增加了電池的可用½量,½是長期來看
將會引起電池耗損,並且可½導致安全問
題。
鋰離子電池的充電過程通常可分為三
個階段:電池活化(conditioning)階段(預先
32
貳、鋰離子電池充放電過程基本
原理
大部分的行動電話½用泛用的鋰電池
充電器 因此對一個
1100mAh
的鋰電池充
電,約需花費
3-4
小時的時間。為了更有
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調節階段)、定電流階段(穩流階段)和定電
壓階段(穩壓和充電結束階段)。電池活化
階段通常會將電流控制在快速充電的
10%,以便發現有問題的電池;定電流階
段的充電電流通常是由一顆外接感測電阻
來設定,它會連接至電池的高端或½端,
充電速率應設定在電池規格的建議範圍
內,最後的定電壓階段則應將電池電壓限
制在電池規格範圍。隨著電池不斷充電,
充電電流會逐漸減少,當它小於結束充電
的臨界電流,充電電壓又保持在最大值,
系統就會停止充電,單顆電池的最大電壓
通常在
4.1V
4.2V
之間。若電池電壓降
至預先設定的再充電電壓臨界值以下,充
電系統就應自動開始充電,½接上充電器
的電池一直保持在滿電力狀態。[11]
- [14]
二極體
D
因反向偏壓而截止,電容器
C
充電。
而圖中開關之主要功½乃為控制½量
之儲存與傳送之方向,其分別由電晶體
(BJT)或是 MOSFET
或是
GTO
與交流二極
體(或稱飛輪二極體體)所組合而成。至於
電感(或稱為扼流圈)其½用在於傳送與儲
在½量,以及濾除交流雜訊波(電流之部
½)。另外電容器其主要½用也在於傳送與
儲存½量,以及濾除交流雜訊波(電壓之部
½)。
Q1
截止時,電感器
L
開始釋放½
量且兩端電壓極性被反向,如此½得二極
D
因順偏壓而導通,電感器
L
上的之電
流呈線性下降,並將½量供應至負載。當
Q1
截止時,若電路中沒有二極體
D
則儲
存在電感器上之½量就沒有迴路可以釋
放,如此將造成瞬間
di
之½用,產生很
dt
大的電壓尖波,½得功率元件遭受破壞,
另在½換器中的
LC
部½構成一½通濾波
器,由於功率開關的交換動½,½得輸出
電壓產生交流鏈波,因此
LC
濾波器之功
½在於降½漣波而達到濾波之½用。其輸
入電壓對輸出電壓之關係式為:
Vo/Vin=D
電壓。
參、DC/DC½換器的原理
常見的DC/DC½換器有降壓型
(Buck)、升壓型(Boost)和降-升壓型
三種,其電路架構分別如圖一、圖二及圖
三所示。不論是降壓型或升壓型½換器主
要½是藉
MOSFET
的導通週期的大小來
控制輸出電壓的高½。其中以降壓型比較
常被½用 而½功率的升降壓型
IC
以電腦
的主機板的½用量最大,近年來手機及
PDA
的 電 源 ½ 換 部 分 ½ 用 量 亦 逐 漸 增
加。[15]
一、降壓型½換器
圖一為降壓型½換器基本架構,是由
一個功率電晶體
Q1、二極體 D、LC
濾波
器與負載所組成,簡單來說,當功率電晶
Q1
在導通狀態時 電感器
L
開始儲½,
½得電感上電流增加,電流呈線性上升,
33
VD
D≦1
(1)
因此,輸出電壓永遠不可½大於輸入
控制
電路
Q
1
+ VL
-
+
D
C
R
L
V0
-
回 授 電 路
圖一 降壓型
DC-DC
½換器電路簡圖
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+
VL
-
D
L
R1
控制
電路
Q
1
+
VD
C
R2
R
L
V0
-
回 授 電 路
圖二 升壓型
DC-DC
½換器電路簡圖
制電路來控制
MOSFET
的工½週期 以達
到穩壓得效果。
其輸入電壓對輸出電壓之關係式為:
Vo/Vin=1/(1-D)
電壓。
圖三 升降壓型
DC-DC
½換器電路簡圖
換言之,降壓型½換器在
MOSFET
導(ON)時,V
D
會有電流流過電感L,
½½量儲存在電感上 而當
MOSFET
截止
(OFF)
時電感上的½量會釋放到
R
L
上以
維持電壓的輸出,藉由回授電路把輸出電
壓回授到控制電路來和參考電壓做比較,
而後控制
MOSFET
工½週期的大小 達到
輸出穩定的目的。
二、升壓型½換器
如圖二所示,升壓型½換器和降壓型
½換器所½用的元件種類相同,½是電路
結構不一樣,當
MOSFET ON
時,V
D
一樣
會向電感充電,½量儲存於電感上,當
MOSFET OFF
時,由於楞次效應的結果電
感電壓反向,而且加上輸入電壓
V
D
透過
二級體D構成迴路,½輸出電壓
V
O
會大
於輸入電壓
V
D
,而為½得輸出電壓穩定,
則藉由電壓回授取
R
2
電阻上的電壓至控
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D≦1
(2)
因此,輸出電壓永遠不可½小於輸入
三、升降壓½換器(Buck-boost
Converter)
升降壓兩用½換器是將降壓½換器與
升壓½換器串聯。再經化簡而得(圖三),
此½換器同時具有升壓與降壓的功½,至
於是½種功½則是由功率開關導通的時間
來決定,其輸入電壓對輸出電壓之關係式
為:
Vo/Vin=D/(1-D) D≦1
之大小,可得到升壓或降壓的功½。
一個優質的DC-DC½換器至少應
具有下列特點:[16]-
[17]
1.
½換效率高於
90%以上。
2.
具短路保護功½。
3.
具過電壓保護功½。
(3)
因此 輸出電壓藉由適當的調整
D
肆、相關研究
充電方法的½壞直接½響到電池的½
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½,尤其過度充電是造成電池損壞的最大
原因。為了將充電時間最½化與確保安全
快速充電而不損壞電池½½,廣範的了解
電池特性是必要的。所以,我們將針對這
三種充電模式之工½原理½一說明:
(1)
定電流定電壓充電法
圖四為定電流定電壓之充電電路,在
充 電 初 期 先 以 大 電 流 對 電 池 充
(BulkCharge)
此階段必須保持充電電流的
穩定,故稱為定電流充電[18-20];當電池
電壓漸漸上升至滿充點後,電池電壓便不
再上升,並保持在此滿充電壓點,這時候
電池實際上並未達滿充½和狀態,所以必
須持續充電,而充電電流將會隨充電時間
的增加逐漸遞減,直到滿充截止,此階段
即為定電壓充電,所以又稱為二階段式充
電法。如圖五之時序所示,T1 為定電流充
電時段
T2
以後則為定電壓充電時段
[20]
(2)
脈波寬度調變(PWM)充電法
圖六為脈波寬度調變之充電電路,脈
波充電法則是將充電電流以週期性的脈衝
方式對電池充電,也就是脈波寬度調變
PWM(Pulse Width Modulation),固定之充
電電流及改變工½週期時間(duty
cycle)方
式,或固定工½之週期及改變充電電流大
小之方式,來執行間歇性充電。其充電時
序如圖七,T 為工½週期,ton 為充電時
間,toff 則停止充電時間。停止充電的過
程,最主要是在讓電池內部的電解液於電
化學反應上獲得中和緩衝時間,進而延長
電池½用½½,因此脈波充電法在充電
時,可採用較大的脈衝電流以節省充電時
間。[21]
圖六 脈波寬度調變之充電電路
圖四 定電流定電壓之充電電路
圖七 脈波寬度調變充電電路
(3) Reflex
充電法[22]
圖八為
Reflex
充電電路,Reflex 充電
圖五 定電流定電壓之時序圖
法為脈波充電法之改良方式,其特點即在
35
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