如何简化锂离子储能设备在能量采集设计中的应用

锂离子电池为储能过剩提供了有效的解决方案，满足了能量收集应用中的峰值功率要求。然而，保持电池健康需要在充电和放电操作期间仔细注意电压水平。通过使用包括Cymbet Corporation，Linear Technology，Maxim Integrated，Seiko Instruments，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商在内的合适IC，工程师可以简化锂离子储能设备在能量采集设计中的应用。存储设备仍然是能量收集应用的重要组成部分，必须应对波动能量的波动。在典型的能量采集设计(图1)中，负载电路从锂离子存储设备获得额外功率，包括Cymbet EnerChip系列等薄膜电池和FDK ML系列，Panasonic ML和VL系列等可充电纽扣电池和精工仪器MS系列。通过在低功耗期间存储多余的能量，可充电设备在低环境能量期间或当由于大量MCU活动，周期性无线传输和其他功率密集型系统状态导致功率需求达到峰值时提供准备好的电源。

 

 

图1：锂离子薄膜和可充电电池为无线MCU提供持续供电，满足无线MCU的需求，例如Silicon Labs EZRadioPRO无线MCU系列(由Silicon Labs提供)这些基于锂离子的存储设备的健康和效率取决于在狭窄的窗口内严格维持充电电压(图2)。工作范围之外的电压可能导致电池劣化。实际上，即使接近安全工作范围极限的充电电压也可能导致电池容量的最终损失(图3)。因此，充电管理电路对于确保这些存储设备的最佳输出和寿命至关重要。图2：锂离子电池需要在较窄的工作范围内使用充电电压(礼貌松下)。

 

 

图3：即使在锂离子电池的安全工作范围内，接近该范围极限的充电电压也会导致容量随时间的流失(图片由Cymbet提供)。

充电管理解决方案

Li-ion电池管理电路通常依靠恒压源来维持最佳充电电压，并且负载断开电路以防止锂离子电池的过放电。虽然锂离子电池可以使用恒流和恒压充电的组合，但锂离子电池制造商通常建议使用恒压充电。因此，合适的充电电路可以简单地包括线性稳压器和二极管，以防止反向放电(图4)。

电路设计人员有许多选项来实现负载断开功能。设计人员可以将电池输出与低功耗电压参考源进行比较，例如德州仪器LM4051和Maxim Integrated MAX6037，它们提供锂离子工作范围内的输出电压。当电池电压低于参考电压时，电路可以使用FET开关(如Diodes Incorporated ZXMN2F30FH或Fairchild Semiconductor NDS8434)将电池与负载断开。同样，工程师可以使用由许多稳压器IC提供的电源良好信号和欠压锁定(UVLO)信号来控制负载断开开关。

 

 

图4：最简单的充电电路锂离子电池包括一个线性稳压器，用于维持适当的充电电压，二极管具有极低的反向偏置泄漏，以防止电池通过电源放电(图片由Cymbet提供)。

锂离子充电管理IC集成管理锂离子电池所需的关键充电和保护电路，并提供优化电池输出和寿命所需的广泛功能。例如，凌力尔特公司的LTC4071只需一个外部电阻即可提供完整的锂离子电池管理解决方案(图5)。当输入电源被移除且电池电压低于高电池输出阈值时，LTC4071的电池消耗仅为550 nA，从而降低了功率受限能量收集应用中的功耗要求。

 

 

图5：锂离子电池管理IC，如凌力尔特公司的LTC4071，集成了充电和保护电路，只需极少的额外元件即可提供完整的锂离子电池管理解决方案(由Linear Technology提供)。

在LTC4071中，如果外部锂离子电池电压低于工程师设置的低电池断开(VLBD)电压电平，则内部PFET(MP1)将电池与VCC断开，从而保护电池免受负载过度放电连接到VCC或甚至连接到LTC4071自身的静态电流。在断开模式下，即使在工作温度范围的高端，电池漏电流也低于0.1 nA。为了保护外部锂离子电池免于过充电，LTC4071通过分流高达50 mA的电流来降低充电电流当电池电压接近浮动电压时，远离电池。虽然它使用集成的三级解码器提供三个可编程浮动电压(4.0，4.1或4.2 V)，但LTC4071使用NTC热敏电阻来检测高温并自动降低电池浮动电压。

广泛的功能》其他器件，如Maxim Integrated MAX1737和Seiko Instruments S-8261，提供用于控制外部FET器件栅极的输出，用作充电电流源或截止开关。对于MAX1737，Maxim Integrated设计的部件使用外部双N沟道MOSFET作为开关和同步稳压器，提供充电电流或电压。

Seiko S-8261使用独立的外部FET进行过充电和过放电保护。这里，当外部锂离子电池电压超过规定的过充电检测电压电平时，器件关闭充电控制FET以停止充电。类似地，当电池电压低于规定的过放电检测电压时，器件关闭放电控制FET。 S-8261针对每种情况使用检测延迟定时器，以避免误触发。除了上述设备，工程师还可以找到具有广泛功能并满足各种功能和性能的锂离子充电管理器件。要求。例如，Cymbet CBC3105在单个集成设备中结合了薄膜能量存储和片上电源管理功能。 Maxim Integrated MAX8601和STMicroelectronics L6924和L6924D等其他器件具有先进的电源管理功能，旨在支持USB端口充电源，但仍可作为功率限制能量收集应用的有效解决方案。采用这些专用的锂离子电荷管理器件用于能量收集应用，工程师可以使用专门的能量采集IC，这些IC也支持锂离子电荷管理和保护。高度集成的IC，如德州仪器BQ25504和Maxim Integrated MAX17710，通过锂离子电荷管理所需的全套功能扩展了其集成的能量收集功能。 TI BQ25504集成了高效DC/DC升压转换器，具有专门的能量收集功能，如最大功率点跟踪(MPPT)，可优化环境能源的功率输出。此外，该器件还支持电池充电和保护，具有用于欠压和过压保护的可编程阈值(图6)。

 

 

图6：TI BQ25504具有三个可编程阈值电压输出，可以用于发出欠压，过压和良好电压信号 - 这里显示典型太阳能应用的电压阈值设置(德州仪器提供)。

Maxim Integrated MAX17710设计用于各种环境能源，并集成了独立功能，可通过过充电保护为外部电池充电，并通过过放电保护调节电池输出。对于充电，该器件使用内部线性稳压器将充电电压维持在4.125 V。如果充电电源超过4.15 V，则器件开始限制电流，如果充电电源超过5.3 V，器件可以分流到50 mA接地，以避免过压操作。对于输出，MAX17710使用内部低压差(LDO)稳压器来调节电池输出电压。如果单元过放电，UVLO电路会在LDO稳压器工作时禁用LDO稳压器，或者如果已经禁止则会阻止LDO稳压器启动。

MAX17710解决了环境源和锂离子时环境能量水平都会导致系统电压崩溃的情况。存储能够提供足够的电力来维持对负载的支持。在这种情况下，能量收集电路可以进入电力系统不断尝试支持负载但崩溃的状态 - 仅重复尝试并反复失败。使用MAX17710时，如果以这种方式断电，器件会禁用负载输出，以防止无用的负载重启尝试，并保护单元免于过度放电。器件保持禁用状态，直到它检测到已将指定电压电平的电源连接到系统。

结论

可充电锂离子电池可为峰值负载提供电源，并且当环境源的能量输出低于此值时有用的水平。但是，为了最大限度地延长电池寿命和输出，工程师需要确保电池电压水平保持在狭窄限定范围内。设计人员可以使用专用的充电管理IC轻松地集成锂离子电池管理功能，或者依靠集成在专用能量收集设备中的电池充电和保护功能。