By Toradex Andrija Stojkovic

欢迎阅读本博文,这里我们将向你介绍在嵌入式系统中锂电池的应用概况。本文是 4 篇系列文章的第一篇。

相比与其他电池技术,可充电锂电池具有最高的能量密度。归功于其在消费领域和高速增长的汽车市场的广泛使用,锂电池的价格也变得更容易接受。但如果处理不当,锂电池将会带来危险。因此,开发流程中的一个主要任务就是选择合适的方案为您自己的嵌入式设备运行规定时间提供所需的能量。本文将关注电池充电和管理系统,并考虑安全性。希望通过我的逐步解释锂电池的基本特性,能为您提供有用的提示和参考链接。很快你将有信心开始使用锂电池的项目。我也将向你展示 USB 充电方案。在文章结尾,我会很荣幸地介绍我们基于 Colibri iMX7 的锂电池低功耗演示板。该演示品的开发资料可以向我们免费索要,作为参考设计。该演示品在全球多个展会上成功展出。

第一部分:锂电池基本知识

关于锂电池有很多可以讲的内容。但是这里我从电子和系统设计的角度出发。电池管理系统的重要设计标准将会在该系列的下一篇文章阐述。

让我从最简单的方面开始:电压。每个电池单元的电压取决于实际的充电状态,这通常用百分之几来表示。完全放电(0%)的电池单元的最小电压约为 2.5V100% 完全充电状态下最大电压约为 4.2V。这些值和电池的化学物质有关,一般在相应的技术白皮书中有说明。市面上大多数 18650 封装或者扁平聚合物锂电池电压都在该范围之内。电压限制由化学物质决定,禁止超出,否则欠压会永久损坏电池,过压则可能引起爆炸。因此,需要有保护电路。我推荐使用具有内部保护电路的电池。额外的内置保护 PCB 使电池免受超出范围的温度、充电和放电的影响。电池关闭是暂时的,在正常环境中会恢复工作。最有效的保护是电流切断装置 CID。当机械结构过度受压被触发后例如过度充电,为防止进一步危险发生,,电池将无法继续使用。

18650 电池的典型值是 3Ah 这意味着我们可以为嵌入式设备以 3A 电流持续供电 1 个小时,而电压从 4.2V 下降到 2.5V。这是通常使用的电池放电 C 倍率定义。1C 指电池单元在一个小时内完全放电。我们举例,假设我们的设备品均消耗 300mA。这相当与1/10C,所以我们的系统能够运行 10 个小时。如果想要更长的时间我们将如何实现?

我们首先讨论电池充电。充电可以分为恒流 CC 和恒压 CV。当恒流充电开始时,充电状态和电压开始增长,最高电压到 4.2V。因为我现在知道,在最大电压时停止充电。这由电池充电电路执行。此时就是恒压充电开始的时候。电压无法继续升高,电流以指数形式减小。通常情况下,当实际电流小于设定的 C 倍率,如 1/10 或者 1/20 时,就认为电池完全充电。

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恒流 CC和恒压 CV 充电,图片来源 http://www.batteryuniversity.com

从上面图表中可以看到,大部分充电在恒流阶段完成。这就是部分产品供应商宣称他们的产品可以在多少分钟内充电 80% 而不是 100%。更多关于电池的信息可以参考这里

让我回到尚未解决的问题,我们需要从哪里提供容量。最简单的方法是增加第二块电池单元。但是多少容量?Wh 还是 Ah?我们需要增加的可用的电量(Wh),这是电压和电流的乘积。对于嵌入式系统来说,并联或者串联两个电池单元都无关紧要。可用的电量都会翻倍。

那么现在我们应该如何连接两个电池单元?并联或者串联?如果我们的系统需要 12V,那么可以串联,提高电压。电流取决于电池单元中最大的一个。当然,你需要使用 DC/DC 电源转换器获得系统所需的规定输入电压,这将在本系列博文的后面部分涉及。整个电池组的充电和放电电压范围会高于每一个电池单元。

我建议电池输出电压可以完全高于或者低于系统所需的输入电压,这样可以只使用降压或者升压转换器。这么做的目的是避免使用降压-升压拓扑,这种电路会更加复杂和昂贵。我们举一个简单的例子:我们的系统需要 3.3V,我们有一个并联和串联电池方案。18650 电池的电压范围在 2.5V  4.2V 之间。当低于 3.3V 时,我们需要提升电压,当有较高的电压时,则需要使用降压转换器。这是我们想要避免的。那么,把两个电池单元串联会怎么样呢?

当我们把一个完全充电和一个完全放电的电池单元串联起来会发生什么?在不违反电压限制的情况下,我们既无法充电也无法放电!在组装电池组的时候需要用相同充电状态的电池单元,以避免上述情况的发生。在电池的整个生命周期内,其特性会出现不同的变化。这就意味着在整个电池组内不同的单元会出现不同的充电状态。因此,我们需要整个生命周期内平衡电池单元,使其保持同样的充电状态。电池单元平衡可以分为主动和被动方式,在被动方式中通过电阻消耗电量。主动平衡方式在不同的电池单元之间转移电量。

如果并联电池单元又会发生什么呢?并联时可以提供更大的输出电流,电压则由其中一个电池单元决定。当把两个不同充电状态的电池单元并联后会怎么样呢?这时会有一个高电流从较满充电状态电池单元流向较低充电状态的电池单元,这是我们需要防止发生的事情。高电流会带来不可控的发热,并可能引起爆炸。我不建议你自己组装并联电池组,但是可以购买现成的。

选择正确的电池并不容易。第一步当然是查阅技术白皮书。但是在手册上你只能找到一些基本的参数。我一般会访问 www.lygte-info.dk 之类的网站,上面可以找到大量的测试报告以及不同电池的排名。电池的生命周期至关重要,需要认真考虑。使用环境也不能被忽略。有一个指标称为健康状态 SoH,会随着充电次数而降低。电池容量也会随着使用时间而降低。所以,设计的容量需要高于系统的需求,并取决于为额外容量所支付的费用。避免过度使用电池(高于或者低于电池极限电压),这有利于延长使用寿命和容量稳定性。然后这就意味着减少了实际使用的电池容量。这往往是一个在容量(费用)和使用寿命之间的平衡。

我们来总结下我们需要的设计标准,从而可以过渡到本系列博文的下一部分。我们必须知道或者确定嵌入式系统的需求如输入电压、功耗、电池供电时间。然后可以着手一个基本的电池配置。当然,这是基础,我们将由此开始。在接下来的文章中,我将会讨论功率元件部分和充电注意事项,这在我们的设计中也是值得考虑的地方。

参考