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电池充电电源噪声的剖析和处理思路

设计电池供电的产品时,工程师需要保证电池在实际应用环境中的适用性。相关测试常采用专用电池测试设备,但有时工程师会转而采用标准的通用程控电源对

规划电池供电的产品时,工程师需求确保电池在实践运用环境中的适用性。相关测验常选用专用电池测验设备,但有时工程师会转而选用规范的通用程控电源对电池充电,并用电子负载对电池放电。

这类在研制实验室中常见的规范电源构成的测验计划比专用电池测验设备愈加灵敏。这是由于能够对规范电源和电子负载进行编程操控,使其能够供给多种充放电装备,然后满意特定的不同运用需求。

首要来看将规范程控电源用于锂离子电池充、放电循环进程的充电阶段典型进程(图 1 )。电源依照电池的标准设定充电电流巨细,以安稳电流(CC)的作业方式开端充电。电池开端充电后,其内部电压会升高。跟着充电进程继续,电池电压逐步到达其开路电压。

图1:锂离子电池的典型充放电循环。

图中文字中英对照

在该点,电源将到达其程序设定的电压上限(可经过编程将上限值设为电池开路电压),然后其将进入安稳电压(CV)作业形式。进入 CV 形式后,电源对电池的输出电流开端下降,对电池的电压则坚持安稳。

一般会期望充电电流低于设定的截止值时中止充电。比如说,在对轿车电池等大型电池充电时,可设最大充电电流为 20 A,截止电流为 50 mA。到达截止电流值后,电池可视为已充溢,应中止充电,电池充放电循环进入下一阶段,通常会静置一段时刻。

首要,要考虑运用何种设备丈量电池充电电流。由于评论的是大电流充电,运用电流计丈量并不实际,由于最大电流值或许超越常见数字万用表(DMM)的电流量程。因而假定运用电源内置的电流丈量功能来丈量充电电流。稍后再来谈这个问题。

如上所述,要中止充电,需求丈量电流值并将丈量值与截止值进行比照。假如电流丈量时有噪声搅扰,将很难确认何时中止充电。与最大充电电流比较,截止电流阈值很低,这意味着需求在较大的动态范围内丈量电流。因而,在较低电流环境下,噪声是个大问题。

回想一下方才说到的大型电池充电的比如,该电池的充电电流值为 20 A,截止电流值为 50 mA。假如充电电流为 20 A 时噪声为 100 mA,则噪声会导致 0.5% 的丈量误差,这也许能够忍受。可是,100 mA 的噪声会导致 50 mA 的截止电流难以丈量,使得测验人员难以确认何时中止充电。

电流丈量噪声源的剖析

来看看测验环境(图 2)。这是一个很简略的测验环境,电源与需求充电的电池相连。常将电池视作含有串联内阻的抱负电池。可运用专用电池测验设备或LCR 表经过沟通电阻(ACR)丈量取得内部电阻值。

图2: 充电电源对低内阻电池充电

图中文字中英对照

大型电池的内阻多为数十毫欧姆,小型电池的内阻多为数百毫欧姆,而像扣子电池这样更小的电池,内阻或许到达几个欧姆。但在本例中评论的目标为大电流电池,因而设电池内阻为数十毫欧姆。

电池充电电源输出端存在电压噪声。量程10 V的电源输出噪声为10 mV峰峰值是很遍及的。图 3 描绘了电池和电源的简略模型,标明晰阻抗和噪声源。频率低于 100 Hz 时,RPS_OUT 趋近 0 Ω。电源的输出电压噪声表现为与直流输出串联的沟通电压源。该沟通电压(即噪声)又表现为经过电池内部较低阻值的串联电阻的沟通电流,依据欧姆定律:INOISE = VNOISE / (RPS_OUT + RCELL)。

图3: 连接好这个更杂乱的充电电源模型,对低内阻电池进行充电

电流丈量成果中的噪声并非丈量噪声。这种噪声实践上是真实的电流噪声,这是由电源输出电压噪声转换为电池内阻电流形成的。由于电池内阻很低,运用低噪声电源也会在电池中形成电流噪声。

改进截止电流的办法

如上述剖析,电源丈量充电截止电流的噪声来源于电源电压输出噪声,最简略的办法便是对丈量成果求均匀。经过几秒乃至一分钟的长积分时刻电流丈量,能够将沟通重量过滤,经过这种办法能够取得安稳的直流电流值,然后再与截止阈值比照。

但假如电源自身不行设定电流丈量积分时刻怎么办?在这种情况下,能够进行屡次丈量,将丈量值输入电脑求其均匀值,并用均匀值与截止电流比照。

图4: 电源对低内阻电池充电时,可增加电感器来下降噪声

图中文字中英对照

另一种办法是将电感器与电池串联(图 4)。电感在低频下阻抗较低,高频下阻抗较高。依据欧姆定律,得到 INOISE = VNOISE/(ZPS_OUT + ZINDUCTOR + ZCELL),跟着频率进步,ZINDUCTOR 逐步增大,成为分母中的最大值。因而,跟着频率升高,电流噪声(INOISE)逐步下降。

因而,在高频下,电感将成为噪声的低通滤波器和衰减器。这种办法能够铲除噪声,能够更好地确认是否到达直流截止电流。抱负情况下,电感滤波器的到频率能够做到10 Hz左右,大幅下降近直流电流的感应噪声电流。设充电电流为 20 A,电池串联电阻 10 mΩ,需求运用数百微亨的电感。

需求留意的是,这个电感需求能接受 20 A 的充电电流,因而不能选用小型外表贴装元件,可利用环形铁芯上环绕线圈来制造适宜的电感。

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