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電池快速充電指南——第2部分

發(fā)布時間：2023-09-22 來源：ADI 責任編輯：wenwei

【導讀】“電池快速充電指南——第1部分”介紹了有關快速充電電池系統(tǒng)設計的一些挑戰(zhàn)。通過在電池包中實現電量計功能，原始設備制造商(OEM)可以設計智能快速充電器，從而提高系統(tǒng)靈活性，更大限度地降低功耗，確保安全充電/放電，并改善整體用戶體驗。在第2部分中，我們將詳細探討如何使用評估套件和樹莓派板實現電池并聯的快速充電系統(tǒng)。


評估1S2P架構


評估簡單充電系統(tǒng)并測試其功能，通?？梢允褂迷u估套件來完成。這些套件包括配置充電系統(tǒng)所需的所有硬件和軟件應用，以及基于圖形用戶界面(GUI)的工具和API。


但相應地，包含多個單元的復雜系統(tǒng)的相關評估工作也更加繁瑣。復雜系統(tǒng)中可能有多個器件需要進行表征。開發(fā)人員將需要編寫一些軟件代碼來讀取系統(tǒng)不同部分生成的信號，對其進行分析，并采取行動。MAX17330可幫助管理包含兩節(jié)鋰離子電池的并聯電池快速充電系統(tǒng)。如數據手冊所述，MAX17330可用于同時對兩節(jié)鋰離子電池進行充電和控制。該系統(tǒng)需要兩個MAX17330 IC，每個IC管理一節(jié)鋰離子電池，以及一個能夠即時調整輸出電壓的降壓轉換器（如MAX20743）。


該系統(tǒng)還需要使用一個微控制器來配置和管理電池充電，以及處理兩個IC之間的通信。本文選擇的樹莓派板是系統(tǒng)測試中普遍使用的平臺，此外我們選用Python作為編程語言。樹莓派通過I2C管理通信，并記錄有助于評估和調試的重要系統(tǒng)參數，包括充電電流、電池電壓和電池荷電狀態(tài)(SOC)。這些數值均存儲在Excel文件中，方便進行離線分析。


測試1S2P架構


本節(jié)將介紹如何測試充電器和電量計(MAX17330)。本節(jié)還會說明并聯充電可達到的實際性能。為了獲得更大的靈活性和可控性，該器件由微控制器通過I2C進行編程。


圖1顯示了1S2P系統(tǒng)架構以及評估兩節(jié)并聯電池充電所需的連接。樹莓派控制三個EVKIT：一個MAX20743EVKIT（降壓轉換器）和兩個MAX17330EVKIT（充電器+電量計）。數據記錄在Excel文件中。


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圖1.使用樹莓派的1S2P充電系統(tǒng)評估架構


可從MAX17330產品頁面的“工具和仿真”選項卡中下載并使用基于GUI的MAX17330評估套件軟件。使用配置向導（從“器件”選項卡中選擇）可為MAX17330生成初始化文件(.INI)。INI文件中包含寄存器地址/寄存器值格式的器件寄存器初始化信息。微控制器需使用該文件來逐個配置MAX17330中的寄存器。


MAX17330EVKIT數據手冊詳細說明了生成初始化文件所需的各個步驟。圖2所示的配置用于啟動并聯充電。接下來可按圖3中的配置啟用步進充電。圖4顯示了基于圖3配置步進充電后的預期步進充電曲線。


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圖2.配置MAX17330進行并聯充電


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圖3.啟用步進充電


MAX20734降壓轉換器可在需要時提高兩個MAX17330EVKIT上的電壓。MAX20734降壓轉換器根據地址0x21處的內部寄存器值改變輸出電壓。降壓轉換器可以通過I2C控制；已編寫一個Python類來執(zhí)行此操作。


最后，如圖5所示，MAX20743EVKIT輸出分壓器被修改，輸出范圍為3 V至4.6 V（使用的值為R6 = 4K7和R9 = 1K3）。


表1.MAX20743基于寄存器0x21的轉換輸出電壓

4.png

4-1.png


從表1可以得出如下曲線：


5.png


其中，x為要在輸出端施加的電壓。雖然這種方法會有輕微誤差，但也是根據電壓估算所需寄存器值的好方法。


上電與初始化


當MAX17330首次連接電池時，默認寄存器值設置強制IC進入關斷狀態(tài)。要喚醒器件，請按PKWK按鈕。這將使臨時保護MOSFET短路，從而喚醒兩個MAX17330EVKIT。


接下來，樹莓派需要通過I2C與所有三個器件通信。小心地初始化I2C硬件，避免器件地址沖突。默認情況下，兩個MAX17330EVKIT使用相同I2C地址。第一步是更改兩個電量計之一的地址。


MAX17330兼有易失性和非易失性寄存器，非易失性寄存器以“n”前綴標識。這也導致產生一對節(jié)點地址：6Ch（易失性寄存器）和16h（NV寄存器）。


改變MAX17330器件節(jié)點地址的方法有兩種：


●  使用I2CSid字段設置nPackCfg NV寄存器。此更改可以利用配置向導設置。參見表3。

●  I2CCmd寄存器支持動態(tài)更改I2C總線。參見表4。


為了便于使用，我們采用第二種方法來改變地址，這樣可以使用同一INI文件來初始化兩個器件。生成兩個器件的通用設置可以簡化器件配置，并消除有關手動輸入地址的用戶錯誤。


6.jpg

圖4.基于圖3來配置步進充電的預期步進充電曲線


7.jpg

圖5.輸出分壓器已被修改，輸出范圍為3 V至4.6 V（R6 = 4 K7且R9 = 1 K3）。


表2.MAX17330寄存器

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表3. nPackCfg (1B5h)寄存器格式

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表4.I2CCmd (12Bh)寄存器格式

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由于兩個MAX17330器件共用同一I2C總線，因此該程序要求將一個器件的ALRT信號設置為低電平，并將另一個設置為高電平。


表5.I2C ALRT設置

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表4中的數據來自MAX17330數據手冊，顯示了I2CCmd寄存器如何根據ALERT GPIO引腳值動態(tài)更改器件地址。在這種情況下，可使用GoToSID和INcSID字段更改I2C地址：


●  Set ALRT_A logic low

●  Set ALRT_B logic high

●  Write I2CCmd = 0 × 0001 ?MAX17330_A address remains at 6Ch/16h

           ?MAX17330_B address set to ECh/96h


每個器件都分配有唯一的地址后，整個系統(tǒng)便可以由單個微控制器控制。


下面是微控制器完成I2C配置的腳本。這將是系統(tǒng)初始化的一部分。


●  Load .INI file

●  Assert ALRT_A and ALRT_B to keep the path between SYSP and BATTP open

●  Read VBATT_A and VBATT_B

●  VMAX = max (VBATT_A, VBATT_B)

●  Set VOUT = VMAX + 50 mV

●  Release ALRT_A and ALRT_B

●  Set nProtCfg.OvrdEn = 0 to use ALRT as Output


非易失性空間中的某些寄存器需要重啟固件才能使更改生效。因此，需要執(zhí)行以下步驟：


●  置位Config2.POR_CMD以重啟固件


參見表7。


接下來，我們需要啟用充電器的中斷：


●  設置（Config.Aen和Config.Caen）= 1


參見表8。


現在器件已初始化。


表6. nProtCfg (1D7h)寄存器格式

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表7.Config2 (OABh)寄存器格式

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表8.Config (O0Bh)寄存器格式

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記錄數據和中斷


我們需要能夠讀取寄存器以記錄數據，并檢查ALERT GPIO線上是否已生成中斷。我們可以使用如下腳本：


●  設置500 ms定時器

●  VMIN = min (VBATT_A, VBATT_B)

●  Vsys_min = nVEmpty[15:7]

●  CrossCharge = False

●  If (VMIN<Vsys_min) ?CrossCharge = True


評估最小電池電壓是否超過系統(tǒng)的最小工作電壓


●  If FProtStat.IsDis = 0


檢測到充電信號


●  Clear Status.AllowChgB


向所有電池表明充電器存在


●  If (VBATT > VMIN + 400 mV and !Cross Charge)


確定要阻止哪個電池以避免交叉充電


Config2.BlockDis = 1

 

else

  

Config2.BlockDis = 0

   

如果低電量電池遠低于高電量電池，則允許放電


參見表9、10和11。


當MAX17330置位ALRT信號時，主機將執(zhí)行以下操作：


Read Status register data

   

If Status.CA is set

Read ChgStat register

If ChgStat.Dropout = 1 ?increase VOUT

If (ChgStat.CP or ChgStat.CT) = 1 ?decrease VOUT

Clear Status.CA


參見表12和13。


圖6顯示了從Excel文件的記錄數據提取的并聯充電曲線。請注意該曲線隨步進充電曲線的變化情況。


FProtStat寄存器


表9.FProtStat (0DAh)寄存器格式

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表10.Status (000h)寄存器格式

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表11.Config2 (0ABh)寄存器格式

1692779990414790.png


表12.狀態(tài)寄存器(000h)格式

1692779967942012.png


表13.ChgStat (0A3h)寄存器格式

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23.png

圖6.并聯充電曲線


另外，一旦器件從恒流(CC)階段轉為恒壓(CV)階段，降壓轉換器生成的電壓可以降低如下：


●  If VBATT = ChargingVoltage

  

      Read ChgStat Register

   

      If ChgStat.CV = 1 ?ecrease VOUT until VPCK = ChargingVoltage + 25 mV


以上就是管理1S2P充電配置所需的所有步驟。MAX17330-usercode.zip中包含了配置降壓轉換器(MAX20743)以及充電器和電量計(MAX17330)的Python代碼。其中還包含了用于捕獲重要充電參數和評估步進充電曲線的Excel數據日志。通過管理MAX17330產生的警報信號，微控制器可保持MAX17330的線性充電器接近壓差，從而更大限度地降低功耗并支持高充電電流。使用MAX17330的電池包可存儲已安裝電池的參數，以便主機微控制器實現高效快速充電。這使得OEM可以用更簡單、更便宜的降壓轉換器取代標準充電器IC器件，而不影響性能或可靠性。


結論


設備充電時間是最重要的用戶體驗考量因素之一。MAX17330降壓轉換器采用小型IC封裝，可以有效管理非常高的電流，從而縮短充電時間。通過采用兩個MAX17330等的方式可支持以高電流并聯充電，讓開發(fā)人員能夠以安全可靠的方式為多個電池充電，從而大幅節(jié)省充電時間。


關于ADI公司


Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。


作者：Franco Contadini，主管工程師

          Alessandro Leonardi，現場銷售客戶經理



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