【導讀】電池充電系統的關鍵組件是充電器本身和電量計，電量計可電池充電狀態 (SOC)、電量耗盡時間和充滿電時間等指標。電量計可在主機端或電池組中實現（見圖 1）。
電池充電系統的關鍵組件是充電器本身和電量計，電量計可電池充電狀態 (SOC)、電量耗盡時間和充滿電時間等指標。電量計可在主機端或電池組中實現（見圖 1）。
圖1. 電池電量計可以集成在主機端，或集成在電池包中。
當在電池組中實施時，電量計需要非易失性存儲器來存儲電池信息。電源路徑上的 MOSFET 可監控充電/放電電流并防止危險情況。Analog Devices 的 MAX17330 等設備是一種電池電量計，具有內置保護電路和電池充電器功能（見圖 2）。
圖 2. 帶有充電 MOSFET 調節器的電量計框圖。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供
圖 3. 高壓/大電流快速充電系統框圖。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
充電MOSFET可以精細調節，以實現線性充電器，當充電源限制為 5 V 且充電電流在 500 mA 范圍內時，該充電器可以用作獨立設備。由于鋰電池充電超過 3.6 V 的充電曲線的 99%，因此功耗有限。
通過在充電器前面使用降壓轉換器來調節其輸出電壓，可以適應高壓充電源和高充電電流（見圖 3）。這還可以限度地減少壓降，從而降低充電 MOSFET 上的功耗（見圖 4）。
圖 4. 使用降壓轉換器調節輸出電壓，以高效率實現 10 A 充電電流。此處顯示的是 MAX20743 降壓轉換器，V IN = 12 V。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
在電池組中安裝電量計可使電池變得智能，從而實現充電方案和功能。例如，電量計可以在其非易失性存儲器中存儲適合電池組內電池的充電配置文件。這還具有從主機微控制器單元 (MCU) 卸載充電的額外好處。現在，主機 MCU 只需管理來自電池組的 ALRT 信號，即可根據收到的警報類型增加/減少降壓轉換器的輸出電壓。
CP：熱量限制→降低電壓。
CT： MOSFET 溫度限制→降低電壓。
電壓降： → 增加電壓
圖 5. 3.6 V 鋰電池的單電池快速充電。圖片由 Bodo’s Power Systems [PDF]提供
CP 是保護 MOSFET 中流動的電流可能影響散熱時設置的標志。CT 是 MOSFET 溫度過高時設置的標志。熱量限制和 MOSFET 限制設置使用 nChgCfg1 寄存器組進行配置。
可編程降壓轉換器（如 MAX20743）使用 PMBus 實現輸出電流的精細調節。降壓轉換器中的集成 MOSFET 支持高達 10 A 的充電電流。此外，由于 PMBus 使用 I 2 C 作為物理層，因此可以使用單個 I 2 C 總線來管理降壓轉換器和電量計。
以下示例顯示了對單個 3.6 V 鋰電池進行充電的方法。圖 5 顯示了充電系統中電壓和電流的時域形狀。具體來說，該圖顯示了電池電壓、電池電流和降壓轉換器的輸出電壓。
降壓轉換器輸出 (VPCK) 設置為高于電池電壓 50 mV。此輸出電壓不斷增加，以避免電壓跌落，并降低總功耗。
電池安全管理
由于快速充電涉及高電流，OEM 必須能夠保證安全充電。因此，智能快速充電器必須監控幾個重要參數作為其整體電池管理的一部分。例如，通過監控電池溫度和環境/室溫，快速充電器可以根據電池制造商的規格和建議確定何時降低充電電流和/或降低終止電壓以確保安全并延長電池壽命。
圖 6.六區 JEITA 溫度范圍。圖片由Bodo’s Power Systems 提供
圖 7. 帶有狀態機的分步充電配置文件，用于管理階段之間的過渡。圖片由 Bodo’s Power Systems [PDF]提供
電壓和電流可以根據溫度進行調整，以符合六區 JEITA 溫度設置（見圖 6）以及基于電池電壓的三區分步充電。
使用根據電池電壓改變充電電流的階梯式充電配置可以進一步延長電池壽命。圖 7 顯示了使用三個充電電壓和三個相應充電電流的階梯式充電配置。可以通過狀態機管理階段之間的轉換（另請參見圖 7）。
請注意，電流、電壓和溫度都是相互關聯的（見表 1 和表 2）。
在第 2 部分中，我們將探索使用評估套件和 Raspberry Pi 開發板實現并聯電池快速充電系統。
圖 8. 為防止交叉充電，當電池 ΔV >400 mV 時，高壓電池的放電將被阻止。圖片由 Bodo’s Power Systems提供
電池快速充電要點
將充電和電量計功能從主機端移至電池組，允許在 1S2P 配置中單獨控制每個電池。智能充電器本身可以根據充電配置管理自己的輸出，而不需要主機 MCU 來全面管理充電。由于主機端的管理僅限于管理電量計生成的 ALRT 信號，因此系統可以輕松適應不同的電池組。
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