電池充電電源噪聲的分析和解決思路

2020-11-23 電子產品世界

設計電池供電的產品時，工程師需要保證電池在實際應用環境中的適用性。相關測試常採用專用電池測試設備，但有時工程師會轉而採用標準的通用程控電源對電池充電，並用電子負載對電池放電。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/386111.htm

這類在研發實驗室中常見的標準電源構成的測試方案比專用電池測試設備更加靈活。這是因為可以對標準電源和電子負載進行編程控制，使其能夠提供多種充放電配置，從而滿足特定的不同應用需求。

首先來看將標準程控電源用於鋰離子電池充、放電循環過程的充電階段典型步驟(圖 1 )。電源按照電池的規格設定充電電流大小，以恆定電流(CC)的工作方式開始充電。電池開始充電後，其內部電壓會升高。隨著充電過程持續，電池電壓逐漸達到其開路電壓。

圖1：鋰離子電池的典型充放電循環。

圖中文字中英對照

在該點，電源將達到其程序設定的電壓上限(可通過編程將上限值設為電池開路電壓)，然後其將進入恆定電壓(CV)工作模式。進入 CV 模式後，電源對電池的輸出電流開始下降，對電池的電壓則保持恆定。

一般會希望充電電流低於設定的截止值時終止充電。比如說，在對汽車電池等大型電池充電時，可設最大充電電流為 20 A，截止電流為 50 mA。達到截止電流值後，電池可視為已充滿，應停止充電，電池充放電循環進入下一階段，通常會靜置一段時間。

首先，要考慮使用何種設備測量電池充電電流。由於討論的是大電流充電，使用電流計測量並不現實，因為最大電流值可能超過常見數字萬用表(DMM)的電流量程。因此假設使用電源內置的電流測量功能來測量充電電流。稍後再來談這個問題。

如上所述，要終止充電，需要測量電流值並將測量值與截止值進行對比。如果電流測量時有噪聲幹擾，將很難確定何時終止充電。與最大充電電流相比，截止電流閾值很低，這意味著需要在較大的動態範圍內測量電流。因此，在較低電流環境下，噪聲是個大問題。

回想一下剛才提到的大型電池充電的例子，該電池的充電電流值為 20 A，截止電流值為 50 mA。如果充電電流為 20 A 時噪聲為 100 mA，則噪聲會導致 0.5% 的測量誤差，這也許可以容忍。但是，100 mA 的噪聲會導致 50 mA 的截止電流難以測量，使得測試人員難以確定何時終止充電。

電流測量噪聲源的分析

來看看測試環境(圖 2)。這是一個很簡單的測試環境，電源與需要充電的電池相連。常將電池視作含有串聯內阻的理想電池。可使用專用電池測試設備或LCR 表通過交流電阻(ACR)測量獲得內部電阻值。

圖2： 充電電源對低內阻電池充電

圖中文字中英對照

大型電池的內阻多為數十毫歐姆，小型電池的內阻多為數百毫歐姆，而像紐扣電池這樣更小的電池，內阻可能達到幾個歐姆。但在本例中討論的對象為大電流電池，因此設電池內阻為數十毫歐姆。

電池充電電源輸出端存在電壓噪聲。量程10 V的電源輸出噪聲為10 mV峰峰值是很普遍的。圖 3 描繪了電池和電源的簡單模型，標明了阻抗和噪聲源。頻率低於 100 Hz 時，RPS_OUT 趨近 0 Ω。電源的輸出電壓噪聲表現為與直流輸出串聯的交流電壓源。該交流電壓(即噪聲)又表現為通過電池內部較低阻值的串聯電阻的交流電流，根據歐姆定律：INOISE = VNOISE / (RPS_OUT + RCELL)。

圖3： 連接好這個更複雜的充電電源模型，對低內阻電池進行充電

電流測量結果中的噪聲並非測量噪聲。這種噪聲實際上是真正的電流噪聲，這是由電源輸出電壓噪聲轉換為電池內阻電流造成的。因為電池內阻很低，使用低噪聲電源也會在電池中造成電流噪聲。

改善截止電流的方法

如上述分析，電源測量充電截止電流的噪聲來源於電源電壓輸出噪聲，最簡單的方法就是對測量結果求平均。通過幾秒甚至一分鐘的長積分時間電流測量，可以將交流分量過濾，通過這種方法可以獲得穩定的直流電流值，然後再與截止閾值對比。

但如果電源本身不可設定電流測量積分時間怎麼辦?在這種情況下，可以進行多次測量，將測量值輸入電腦求其平均值，並用平均值與截止電流對比。

圖4： 電源對低內阻電池充電時，可添加電感器來降低噪聲

圖中文字中英對照

另一種方法是將電感器與電池串聯(圖 4)。電感在低頻下阻抗較低，高頻下阻抗較高。根據歐姆定律，得到 INOISE = VNOISE/(ZPS_OUT + ZINDUCTOR + ZCELL)，隨著頻率提高，ZINDUCTOR 逐漸增大，成為分母中的最大值。因此，隨著頻率升高，電流噪聲(INOISE)逐漸降低。

因此，在高頻下，電感將成為噪聲的低通濾波器和衰減器。這種方法可以清除噪聲，可以更好地確定是否達到直流截止電流。理想情況下，電感濾波器的截至頻率可以做到10 Hz左右，大幅降低近直流電流的感應噪聲電流。設充電電流為 20 A，電池串聯電阻 10 mΩ，需要使用數百微亨的電感。

需要注意的是，這個電感需要能承受 20 A 的充電電流，因此不能採用小型表面貼裝元件，可利用環形鐵芯上纏繞線圈來製作合適的電感。

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