在世紀之交，成本的降低和電池性能的提高，特別是基于鋰離子電池的電池，推動了電池供電的儲能和便攜式設備的穩定增長。此外，超級電容器（又名超級電容器）由于其獨特的特性，越來越多地用于各種應用。鉛酸電池是一項擁有 150 年歷史的技術，至今仍廣泛用于汽車、輪椅、踏板車、高爾夫球車和不間斷電源 （UPS） 系統。這些儲能設備一旦能量耗盡就必須充電。2019年全球充電IC出貨量為11.6億個，預計到2024年將增長到17.2億個，年增長率為8.6%。收入分別為5，181億美元和7，354億美元，復合年增長率為7.3%。圖1顯示了這一趨勢，根據OMDIA的“功率IC市場跟蹤器-2019”。1

圖1.充電IC的世界市場。

對更大功率的需求，以及更長的范圍或運行時間，決定了儲能設備中使用的電壓的增加。例如，鋰離子電池組已經從一個或兩個電池變為多個（最多12個）電池，用于機器人，無人機，電動工具和許多其他事物。12 節鋰離子電池組提供 50.4 V 的最大電壓。在相同的額定電流下，12 芯電池的使用壽命是 12 節電池的 12 倍。或者，可以并聯 12 個電池以獲得更高的功率，但這種方法會增加 12× 的電流。較高的電流會導致更多的傳導損耗，因此不首選并聯電池。

帶備用電池的應急照明、UPS 備用電源和 HVAC 等工業系統使用 24 V直流電源 — 即使用 24 V 電池來備份這些系統。The 24 V直流然而，根據IEC 61131-2和IEC 60664-1標準，電源在瞬態條件下的峰值電壓可能會上升到60 V。

無論哪種情況，設備都需要能夠適應更高電池電壓并在瞬態事件期間承受更高輸入電壓的充電器解決方案。

充電器基礎知識

有許多充電器拓撲。線性充電器通過電源開關降低電源和電池之間的電壓差。這種類型的充電器效率最低，因為當電源和電池之間的電壓差很大時，它會在電源開關上消耗大量功率。升壓充電器將電源電壓升壓至電池電壓。這種拓撲要求電源電壓低于電池電壓。降壓充電器降低電源電壓，并要求電源電壓高于電池電壓。降壓-升壓充電器可以使用高于或低于電池電壓的電源電壓為電池充電。這種拓撲需要四個電源開關（降壓需要兩個），并且通常效率不高。

同步整流降壓充電器效率最高，也是本文的重點。圖2所示為通用同步整流降壓充電器電路。如今，大多數降壓充電器的工作電壓相對較低。許多充電器的額定輸入電壓僅為 28 V，有些為 40 V.允許 ±10% 的輸入電壓調節和降壓充電器兩端的 2 V 壓降，實際上只能為 5S 鋰離子電池組充電（最大值）。我們將研究一個新的60 V輸入充電器IC系列，該系列允許更高電壓充電（高達52 V電池電壓（或12節鋰離子電池組），并且可以承受65 V輸入電壓瞬變。

圖2.通用同步整流降壓充電器。

充電器的待機電流應較低，以節省能源。能源之星為手機充電器和其他待機功耗為 30 mW 或更低的小型充電器分配五顆星。一顆星是 300 mW 或更高的充電器，介于兩者之間的其他所有產品還有其他額定值。能源之星旨在減少個人充電器的電流消耗，這些充電器在不使用時大多是插電的。在任何給定時間，全球有超過10億個這樣的充電器連接到電網。?

盡管鉛酸電池、鋰離子電池和超級電容器都是儲能器件，但它們具有非常獨特的充電/放電特性。我們將研究這些特性，并討論每個特性的充電解決方案。良好的電池充電器可提供電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時。

鉛酸電池充電器

鉛酸是現存最古老的可充電電池，由法國醫生加斯頓·普蘭特于 1859 年發明。2一百五十年后，它仍然廣泛用于汽車、輪椅、踏板車、電動自行車、高爾夫球車和 UPS 系統。

鉛酸電池必須緩慢充電。典型的充電時間為 8 到 16 小時。電池必須始終以充電狀態存儲，并且定期完全飽和充電對于防止硫酸鹽化至關重要。通常的做法是在大約 70 小時內將鉛酸電池充電至 8%，再用 8 小時進行最重要的吸收充電。如果鉛酸偶爾收到完全飽和的電荷以防止硫酸化，則部分充電是可以的。長時間將電池置于浮充狀態不會造成損壞。

找到理想的充電電壓限值至關重要。高電壓（高于2.45 V/節）可產生良好的電池性能，但由于正極板上的網格腐蝕而縮短了使用壽命。低電壓限制受負極板上硫酸鹽化的影響。溫度也會影響電池電壓，典型值為 –5 mV/°C（每節電池每 10°F 0.028 V）。3一個好的充電器必須補償這個溫度系數，以避免電池在熱時過度充電或在冷時充電不足。

例如，MAX17702（見圖3）是一款完整的鉛酸電池充電器控制器，設計工作在4.5 V至60 V輸入電壓范圍。該器件提供高效率（超過 97%）、高電壓、同步降壓解決方案，可為 12 V/24 V/48 V 鉛酸電池組充電。圖4a和4b顯示了其充電周期和充電效率。

圖3.高壓鉛酸蓄電池充電器控制器。

圖 4a. MAX17702 鉛酸充電周期

圖 4b. MAX17702 充電效率

鉛酸電池能量密度低，不適合便攜式設備。這就是鋰基電池發揮作用的地方。

鋰離子電池充電器

鋰離子電池因其重量輕和高能量密度而成為便攜式應用、重工業、電動動力總成和衛星的普遍接受的電池。

鋰離子電池是一種低維護電池。電池沒有記憶，不需要鍛煉（故意完全放電）即可保持良好狀態。但它需要內置在電池組內部和充電器中的保護電路，以防止短路、過充電、熱失控和過放電。如果鋰離子電池在低于 1.5 V/電池的情況下停留一周或更長時間，則可能會形成可能危及安全性的枝晶。

為了防止過放電，內置電池保護電路使電池進入睡眠狀態。當將電池存放在放電狀態下時，會發生這種情況，在該狀態下，自放電會將電壓帶到截止點。普通充電器將此類電池視為無法使用，并且電池組經常被丟棄。先進的鋰離子電池充電器包括喚醒功能或“預充電”，以便在鋰離子電池因過度放電而入睡時進行充電。在預充電模式下，充電器施加小充電電流，將電壓安全地提高到 2.2 V/節和 2.9 V/節之間，以激活保護電路，此時開始正常充電。

在正常充電期間，鋰離子充電器在恒流恒壓 （CCCV） 下運行。充電電流是恒定的，當達到設定的限值時，電壓被封頂。達到電壓限制時，電池飽和;電流下降，直到電池無法再接受進一步充電并且充電終止。每個電池都有自己的低電流閾值。

鋰離子電池在充電時應始終保持涼爽。鋰離子不能吸收過充電。因此，監測電池溫度及其充電電壓以確保電池健康和安全非常重要。一個好的充電器必須包括這些功能。

圖5顯示了一個高級鋰離子電池充電器的示例。MAX17703為高效率、高電壓、同步、降壓充電器控制器，設計工作在4.5 V至60 V寬輸入電壓范圍。該器件為多達 12 個鋰離子電池組提供完整的充電解決方案。

圖5.先進的高壓鋰離子電池充電器電路。

該器件分別提供 ±4% 和 ±1% 的精確 CCCV 充電電流/電壓。當充電電流降至錐形電流閾值時，充電器進入充充狀態，然后在錐度計時器周期過后退出充電。當輸出電壓低于再充電閾值電壓時，充電器啟動再充電周期。如果長時間留在充電座中，這是一個很好的功能，可以保持電池充滿電，而不會使用太多功率并符合能源之星的要求。該設備可以檢測深度放電的電池并進行預處理，并通過預充電功能喚醒它們。為了增加保護，該器件會感應電池溫度，并僅在溫度范圍內充電。還有輸入短路保護功能，可防止輸入意外短路時電池放電。圖6給出了MAX17703的充電周期。

圖6.MAX17703鋰離子電池充電周期

超級電容器充電器

超級電容器越來越多地用于各種應用，這要歸功于它們相對于電池的獨特優勢。超級電容器基于靜電原理工作，沒有化學反應，避免了與電池化學存儲相關的壽命問題。它們的高耐用性允許數百萬次充電/放電循環，使用壽命長達 20 年，比電池高一個數量級。它們的低阻抗可在幾秒鐘內實現快速充電和放電。這一點，再加上它們在長時間內保持電荷的適度能力，使超級電容器成為需要短充電和放電周期的應用的理想選擇。它們還與電池并聯使用，用于在負載轉換期間需要瞬時功率輸送峰值的應用中。

超級電容器的短充電和放電周期要求充電器處理大電流，并在充電期間以恒流 （CC） 模式平穩工作，充電可能從 0 V 開始，一旦達到最終輸出值，則在恒壓 （CV） 模式下工作。在高壓應用中，許多超級電容器串聯連接，需要充電器來管理高輸入和輸出電壓。

MAX17701（見圖7）為高效率、高電壓、同步、降壓型超級電容充電器控制器，設計用于大電流充電，工作在輸入電壓范圍（V糖尿病腎上腺素） 的 4.5 V 至 60 V。輸出電壓可編程范圍為 1.25 V 至 （V糖尿病腎上腺素– 4 V）。該器件使用一個外部 N-MOSFET 來提供輸入電源側 OR‘ing 功能，從而防止超級電容器放電回輸入端。圖8顯示了簡單但高電流的充電曲線。

圖7.超級電容器高電壓、大電流充電器。

圖8.MAX17701超級電容充電曲線

結論

電池供電的儲能和便攜式設備的使用穩步增長。對更大功率的需求，以及更長的范圍或運行時間，決定了電池組中使用的電壓的增加。在采用 24 V 電壓的工業系統中的應用直流電源在瞬態條件下可以看到 60 V 峰值電壓。傳統充電器解決方案大多限制為 28 V 輸入。ADI公司較新的充電器解決方案采用高壓、同步降壓充電拓撲結構，可實現更高的電池組電壓和更高的充電效率。

鉛酸電池、鋰基電池和超級電容器都是具有非常獨特的充電/放電特性的儲能設備，需要專用充電器才能獲得最佳充電解決方案。先進的電池充電器還提供足夠的保護，以提供電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時。這些在較新的充電器解決方案中也得到了解決。

審核編輯：郭婷