快速充电

快速充电（精选十篇）

快速充电篇1

由智能手机电池的发展趋势 (图1) 可见, 这两年电池容量有所突变。据德州仪器 (TI) 电池管理产品 (BMS) 大中华区市场和应用部门经理文司华介绍, 电池容量的突变并不在于电池密度是否有显著提高, 而在于手机的屏幕变大了, 所以电池容量、电池空间增大。另外, 电池电压也在不断提高, 原来都是4.2V电池, 现在变成4.35V, 今年有厂家在做4.4V电芯。电压提高的原因是:电芯每增加0.1V, 能让电池续航时间提升5%~8%左右。

2 传统的充电设计观念

现在第五代手机 (尤其是Androiidd手机) 的电池容量能做到3000m Ah, 对整个系统构架带来挑战, 用原来的适配器去充电已经落伍了, 以前的适配器, USB 2.0是5V输出, 0.5A电流, 合计2.5W, 现在对智能机有点慢。很多标配的适配器是5V/1A, 包括苹果i Phone 5以前也是如此, 这已算不错, 但也只有5W。对于Androiidd手机, 三星以前的Galaxy S4 26000m A h应该是不够的, S 4充电电流是1.5A以上, 适配器从5W一直在往上升, 真正的BC 1.2 (Battery Charging1.2) 协议, 包括国标在内的标准适配器是5V/1.5A, 就是7.5W。但这对3 0 0 0 m A h的电芯还是不够的。因为电池充电速度其实和电池大小没关系。例如, 当智能手环上的电池只有200m Ah, 是不是用一个输出电流更大的适配器就能让它充得更快?其实不然, 因为电池充电是要符合电芯厂规定的最大许可C倍率的。200m Ah产品, 1C等于200m A, 只要把容量拿出来, m Ah的小时 (h) 拿掉, 就是1C。通常比较安全的充电速率都是0.5C, 但其实0.7C也是很安全的, 而且大部分手机可以做到0.7C。所以, 不管电池多大都用0.7C充电, 其实充电时间是一样的, 很大的电芯用0.7C充电, 3个多小时也能充满, 很小的电池也必须用3小时充满, 不能提高得更快。以上是以前的观点。

3快速充电的两种途径

现在问题来了, 如果用3000m Ah的电池, 要用0.7 C充的话, 要用0.7×3000=2.1A。但2.1A已经突破适配器的电流, 因为常规的适配器是5V/1.5A, 2.1A已经突破极限了。所以3000m Ah的Android手机的充电时间就会变慢, 这是由于快充时, 一方面现在的适配器都不能够支持正常的大电量充电, 因此充电速率变慢了;另一方面怎样把3个小时再缩短?例如, 希望用10分钟把20%的电量充到80%?需要把常规的3.5小时以上缩短到1小时或1.5小时, 这是真正的提速和快充。

解决方案的一个关键是提高电流。由于传统的USB输出功率受限, 输出电压只有5V, 所以出现一个瓶颈, 充电线的粗细程度有一定的规范, 普遍不能支持2A的电流, 原因在于线的阻抗是固定的, 电流再大, 根据P=I2R, 线阻的功率损耗较大, 尤其转接头上也有一定的接触电阻, 因此有些厂家的方案是配备特殊的线缆, 有更小的阻抗。所以, 电流增大是个途径, 但是必须付出一些代价。例如, 去年OPPO推出的闪充, 其线材、适配器都是特殊的, 这是一种方法。

另一个方法是通过升压的方式, 这是目前关注度最高的。而且今年很多量产的手机新品会带有快充, 从1C到1.5C不等, 国产厂商也一定会有这种方案。以下详细介绍这种升压方案。

升压方案可以把适配器的5V电压提升。之前市场已经有类似的方案, 只不过今天我们是从手机内部的Charger (充电) IC角度来看, 当适配器能升到7V、9V、12V时, Charger I C怎样应付这种情况。例如, T I的Max Charge bq2589x是第一款高压输入 (最大正常工作电压14V) 大电流 (5A) 充电芯片, 它的一个优势是能提升功率而不增加损耗, 因为P=UI, 在提升电压的同时, 功率随之提高, 但由于电流没有改变, 仍然在2A以下, 线缆可以不用换, 适配器接口也不用换。

4 手机主板上的快充IC

USB线缆连接到手机上遇到的第一颗芯片叫Charger IC, 是放在手机主板上的 (图2) 。

TI的Max Charge可以独立识别并兼容普通5V以及更高电压输出的专有适配器。独立识别的意思是, 实际上识别高压适配器有很多种方式, 比如你可以通过AP (应用处理器, 即主芯片) 。独立的意思, Charger IC作为主板门户IC能够不需要任何其他芯片的介入, 自己就能够识别是5V适配器还是更高电压的适配器。原因是支持D+/D-信号以及VBUS电流脉冲两种适配器的握手信号。

因此, Max Charge芯片的好处, 首先是能够通过支持高输入电压支持快速的充电体验。我们可以把充电IC想象成黑盒子, 输入端的功率和输出端功率中间有9%~10%效率损耗, 输入端如果电压提升的话, 整个输入端功率也会相应提升, 输出端是单节锂电池 (现在手机、平板大都是单节锂电池, 3.7V左右) 的电压是固定的, 3V~4.2V~4.3V, 平台电压一般是3.7V, 如果计算, 例如输入端功率是7.5W, 5V/1A的适配器, 假如100%的效率, 输出端的电流约是2A。因为输出的电池电压是3.7V、3.8V平台电压, 所以:7.5/3.7≈2A。

假如今天是9V/1.5A, 即已经升压了, 9×1.5=13.5W, 输出端如果效率可以达100%, 那么输入端电流能够提升。由此可见, 在输入电压提升时能够实现快速充电。TI Max Charge是业界第一款能够同时实现支持5A充电电流和14V输入电压的芯片。

需要说明的是, 输入是从外部的适配器过来的, 一般是5V。有些适配器可以有高压输出, 但通常默认是5V输出, 但通过握手协议之后, 就会变成高压。当主板 (包括AP和Charger IC) 使能以后, 允许输出高压它就可以输出高压了, 所以这个高压是适配器给出来的。

为何平台电压会有3.7V~3.0V变化?可以把电池想象成一瓶水 (如图2最右侧) , 电流相当于水管的粗细程度, 变粗就更快了。水杯的高度是电压, 只不过水杯是中间粗、两边细的不规则形状, 因此开始充得很快, 但中间区域内呆的时间很长, 很大的就是3.7V的平台电压。这时候电流如果变得大, 注入时间就很快。所以此时快充的突破点是:为了快充, 提高了电流。

TI的方案是经Max Charge转换后电流变大。Max Charge能支持5A充电电流, 14V输入电压。5A是最大的标称值, 通常使用时会考虑到各种情况, 比如散热和电池容量, 所以3A~5A就可以做到这样一种平均的输入电流。

5 快充的效率

充电IC普遍效率是88%、89%, TI Max Charge bq2589x系列可在3.5A提升到91%, 这等于有2个百分点的提升。由于效率的提升, 在TI的实测中, 温度上升得很低, 室温下, 测试板上温度仅仅上升18℃, 以前要上升30多℃。

温升直接决定了用户体验。因为现在手机的适配器、主芯片、电池充电的温升/散热是很重要的技术瓶颈。所以很多设计体验, 由于散热不佳不得不采取折中办法。

6 放电

今天的Charger IC设计, 所有的M OS管都集成在里面, 采用串联电路, 这样充电时要经过MOS管, 但放电的时候会受到限制, 放电时要通过一个MOS管 (Q4) 。

图3是charger IC的主流架构图, 左侧是适配器的输入端, 通过电感电流流进入, 最后进入右侧大IC里再充电。现在用手机打电话时, 放电过程一定要通过Q4元件, TI Max Charge bq2589x的特色是, 放电电流可以支持得很大, 因为Q4的MOS管的阻抗值只有11mΩ (表1) , 堪称业界最低的阻抗。打电话进来, 主要是功放工作, 因为你要搜寻GSM信号时要把功率调得很大, 接收塔才能接收到。因此电路这边需要很大的瞬态电流 (尖峰电流) 。Max Charge的Q4阻抗很小;如果是其他的设计方案, 由于内置Q4 MOS管的阻抗不够小, 它里面还要再加元件, 增加了成本。

具体来看, 图3的电线是有阻抗的, 其实IC里也有电阻, 这些电阻会增加损耗。如果不计成本, 这些阻抗越小越好 (注:MOS管阻抗越小IC成本越高) 。TI能在相应成本之下把阻抗降到市场最低, 这是Max Charge最大的亮点。以前5V时, 电池充电到3.7V~4V, 5V、4V和3.7V差异很小, 一个5V到右侧3.7V实际差异不大, 因此Q3导通的时间很短, 这是切换电路:Q2-Q3, Q3-Q2两个交替切换, 实现能量高效率转移。以前5V时, Q2的导通时间是最长的, 所以Q2的阻抗要越低越好。

9V到14V差距很大, 这要求Q2的导通时间要缩短, Q3的导通时间要加长, 到了Max Charge bq2589x, TI第一次把Q3阻抗降得比Q2还要低。Q3阻抗直接降到16mΩ (如表1) 。这也是Max Charge区别于竞争对手的很大差别, 即Q3的阻抗直接让Max Charge的效率有显著提高。

图4是Q2和Q3的损耗, 它的切换频率是1.5V, 属高频切换, 这样的波形一直切换下去进行充电, 它的占空比可以从此图看出来。

那么, Q 3的1 6 mΩ是怎么实现的?如果看芯片的设计, 芯片是在Si O2基板上面做的很多流程。一般M O S管在芯片里占的面积是最大的, 众所周知, 面积越大电阻越小, 电流是垂直穿过去的。要想实现16mΩ, 必须要加大MOS管的面积, 这样成本也会相应增加。关键在于Max Charge bq2589x突破了很多设计限制, 进行了优化 (比如把数字部分缩小一点) , 使之与之前的芯片 (bq2419x) 管脚兼容。

在散热方面, Max Charge也有一些封装讲究:芯片采用QFN (四方扁平无引线) 封装, 特点是QFN封装下面有Power Pad (焊盘) 。在bq2419x系列之前, 手机上的Charger IC最初是集成在PMU里的, 采用BGA或CSP封装, 等到不得不把Charge分出来的时候, Charger IC也为了节省空间, 都用BGA封装。BGA封装, 即把晶圆上切割下来的die (芯片) 的反面Pad上装上焊球, 即die本身就是封装, 是最省空间的。Max Charge之所以采用QFN封装, 主要考虑散热, 由于QFN封装下面有Power pad, 因此封装比BGA大一些, 需要焊接在整个电路板上, 热是分散的, 不是浓缩在一点的。当然, 如果电池小的话, 也没有必要用大封装快充, 也就不需要QFN。

7 快充对电池的寿命影响

两年前TI推出了Max Life, 是为了在快速充电情况下兼顾电池的充电寿命。对于任何一个电芯来说, 只要用大电流之后一定会让寿命减少。比如电芯本来有500个循环, 用大电流之后, 它就只有450个循环。今天的电池技术已经能做到相当多的循环次数, 就算用1.5C充电, 也能做几百个Cycle (循环) 以上。

Ma x Life实质上是电量计, 利用Max Life技术实时监控电芯老化特性, 具体地, 是用电量计控制Charge, Charge初始情况下设置1.5C, 但发现电池老化很快的时候可能会把1.5C降下来。

但有些场合不需要Max Life。例如大平板, 平板4000、5000m Ah的都有, 即要用大电流, 就算已经到了3A还不会损坏电池的寿命, 还小于0.7C, 这样的用户没必要用Max Life技术。

8 快充适配器

目前的快充是统一的接口, 能否快充取决于所用的适配器技术。市场上通用适配技术做不了快充, 因为功率限制。适配器必须有升压功能才行, 即适配器必须有握手的条件。

9 无线充电可以快充吗?

无线充电能够做到快充, 只不过是个系统设计问题。

无线充电的快充, 首先一定是高压快充 (一定不会是5V的) , 因为无线充电的效率要求更加严苛。因无线充电损耗要比有线充电大一些, 因此整个线圈损耗要降低, 输出要想降低, 无线输出电压一点要高过5V才能做到更高效的充电。TI去年年末推出了10W的无线充电——今天最好的适配器也就10W而已。现在i Pad2、3也就是5V/1A的充电。

1 0 IR补偿

高充电电流将在充电路径寄生电阻和内部电池阻抗上引起电压降。较高的阻抗将导致充电过早地进入了恒定电压模式, 从而使得充电时间延长。IR补偿把充电器端子电压增至高于电池调节电压 (高出的幅度为I x R压降) , 以使充电器能够在恒定电流模式中停留足够长的时间, 由此实现快速充电。

具体如图5所示, 整个曲线包含的面积单位是m A×h (时间) , 即电池的容量, 如果电池电压刚开始掉下来时就停止充电, 那么电池容量就很小, 其实还有一小半的容量没有充满。所以, 业界经常谈论的70%、30%的问题, 就是花70%的时间充30%的电量, 原因是进入到了恒压区;花30%的时间充70%的电量指的是在恒流区, 横流区面积很大。最后想真正充满还是需要时间的。除了提升电流之外, 绿色线 (细线) 比红色线充得更快, 这是由于Max Charge使用IR补偿技术, 让电池充电过程更多处于大电流恒流区, 缩短它的充电时间, 所以恒压区就缩短了。仅通过这一项技术, 就能实现17%的时间缩短。

究其原因, 理想情况下电流是大电容的, 用恒流的话, 充到4.2V就可以停止了, 因为已经充饱了, 这是电容的充电。电池是电容+电阻的等效电路, 由于电池里内阻的存在, 并且电阻在外部也有, 所以, 充电就不是理想的过程, 可以看到既有恒流区又有恒压区, IR补偿的任务是延长恒压区, 减少恒流区。

1 1 电池部门的人员组成

电池部门也是研发人员聚集的重地。以TI公司为例, 其BMS部门由七八十名电池专家组成, 其中包含化学家和芯片设计人员, 他们拥有锂电池管理、充电创新的经验。 (注:本文主要根据TI公司BMS部的文思华博士的讲演整理, 未经讲演者确认。)

参考文献

[1]王国辉.无线充电技术及其特殊应用前景[J].电子产品世界, 2014 (7) :21

[2]李健.充电技术:停不下“充电”的步伐[J].电子产品世界, 2012 (9) :24

[3]Maniraj S.便携式消费电子产品中的锂电池保护[J].电子产品世界, 2014 (9) :56

[4]Racherla K.电池管理系统的温度测量[J].电子产品世界, 2012 (8) :43

快速充电篇2

39、未做事项：

未做事项的清单――有利于帮你发现导致你成效不高的原因，比如打在线游戏。

40、模板：

为经常做的重复性工作建立模板，比如邮件、客户回信、更新博客，等等。

41、确认单：

当策划大项目的时候，做一个确认清单，这样你就不会由于太忙而忘掉一些步骤。并把这些确认单留好，你下次做类似事情的时候可能用到。

42、懂得拒绝：

学会对新的委托、打扰、任何事情说“不”，这是让你集中在自己项目上的一项重要技巧。

43、时间安排上的先后：

首先安排好你的娱乐节目和你的生活。然后再把完整时间段的工作填充到之前安排好的空隙中。做完之后记得把这些写进你的日程安排中。在高质量的工作之后给自己一个小小的奖励吧。

44、清理：

经常检查你正在做的事情，把那些不能帮助你达成目标或是总浪费你时间、精力的去掉。

45、一砣：

把你搜集到的东西尽量集中放在几个地方。理想状况是放在一起。很多人看到他们需要考虑的东西都放在自己前面的时候都会感受到无比的安慰，不管这砣东西看起来多大。

46、50-30-20:

把你工作日50%的时间用在推动你的长期、人生计划上;30%花费在中期目标(两年左右)上，剩下的20%的时间花在那些只可能在将来90天影响你的事情上。

47、计时器：

告诉你自己，你将在一定的时间里只专注在你的一件事情上。设定一个计时器(用厨房的计时器或是电脑上的倒数计时器)，然后专心做事。当计时器走完的时候，你也完成了，然后转到下个项目。

48、将就：

允许自己失败。释放在项目开始时事事追求完美的压力。告诉自己你会会过头来修正这些问题，但现在暂时就这么着吧。

49、跟自己对话：

每个星期给自己安排一段时间。想想你自己的工作状态：什么上轨道了，什么还没有;我犯了什么错了吗?我可以做些什么改变?让你自己了解自己。

50、(空白)：

智能手机快速充电的前世今生篇3

前快充时代

早在Nexus 4身上我们就看到高通给出的快充（Quick Charge）方案，对于这款早期的快充方案，其实大家都非常熟悉，并且运用得非常广泛。当时，在手机充电时因受到电池的输出电压限制，充电器输入的电压在 4V 上下，手机能够承受的输入电流也是一定，所以必定有一部分的功率是要损耗在充电器上的，所以充电时，充电器与手机烫手也属于正常现象。而高通快充的出现，就是为了解决手机与充电器发热的问题。它能将手机电池可以承受的输入电流调高，使得损耗大幅度降低，并且它还能使手机充电电源输入电流的范围有小范围提升，从100mA到2000mA。

总的来说，高通快充最大的用处就是提高了手机对于高电流的承受能力，使得它能够接受充电器高电流的输入，缩短充电时间;识别不同的电源输入类型。

快充的时代

随着手机硬件的快速发展以及元器件功耗的提升，各大手机厂商都纷纷采用了大电池的策略。大电池带来的续航能力与充电时长成正比，而不少厂商都开始研发属于自己的快速充电技术，而高通快充也从早期的版本来到了2.0。

我们都知道手机的充电设备是由USB数据线与电源适配器组成，由于结构与数据线品质的问题，使得我们在充电时不能保证100%的高输出电流。而且高强度的电流输出对于线材的损耗较大，所以高通快充2.0 并没有选择直接增加充电器输出电流的方式，来加快充电速度，反而是在外部设备上，保证输出电流不变，通过增加充电器的输出电压，来增加充电器的输出功率。简单地说，高通快充2.0就是由设备通过USB数据通信口D+/D- ，输出电压信号给充电器，充电器内置USB输入解码芯片，判断充电器需要输出电压大小，所以对于充电的USB线也没有特别的要求。

这种提升电压降低电流的充电方式大幅度加快了手机充电的速度，并且给予了其他厂家实现快速充电的可能，用户可以购买到同时兼容5V、9V、12V三种电压规格的快速充电器，如：Motorola Turbo ChargerPower up fast、HTC Rapid Charger 2.0、三星EP-TA20CBC、Ktec冠德 VP001以及小米MDY-03-EB等。随着高通快充2.0充电标准化的普及以及技术的开放，所以我们在一些非高通芯片的手机上也可以看到一些基于高通QC2.0的衍生快充技术，比如华为的快充技术和华硕的BoostMaster。

说到快充方案，一定避不开国产手机厂商OPPO，其2015年推出搭载VOOC 2.0的R7/Plus打出了“充电五分钟，通话两小时”的广告语，如此自信的表达方式是建立在VOOC闪充技术之上的。

VOOC闪充是通过在5V充电电压不变的情况下，增加充电电流到5A，直接提高输入电流的方式，提高充电效率，并使用并联电路的方式进行分流，所以OPPO VOOC技术需要使用专用的充电线。OPPO VOOC充电线接口有8个触点，能实现多路5V充电，从而提升手机的充电速度。OPPO采用专用的充电线与电源适配器将快速充电的模组外置，从而降低了手机在快速充电时候的发热。

一旦涉及快速充电，手机厂商的设计思路大致都是基于上述两种解决方案。现阶段除了高通快充2.0与OPPO VOOC2.0之外，当然少不了另一大芯片厂商联发科，他们给出的快充方案是 Pump Express Plus，与两家厂商不同的是，它采用的快充技术原理较为复杂，此项技术需要配合联发科生产的电源管理芯片来实现，现阶段已发售的联发科MT6795已经能支持Pump Express Plus快充技术，不过在理论上在联发科所有处理器平台上使用专用的电源管理芯片都能实现快速充电功能。Pump Express Plus技术允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压，由电源管理芯片发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传送给充电器，充电器依照这个指令调变输出电压，电压逐渐增加至高达12V达到最大充电电压，因此使用一般的USB线就能支持Pump Express Plus快充技术。

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快充的未来

虽然现阶段我们拥有较为出色的快充技术，但这并不能让芯片厂商止步于此，谁都想通过此项技术在未来的便携移动设备市场上占据绝对的份额。德州仪器也拿出了快充解决思路“MaxCharge”，它是通过单独分离快充处理器，而不是被绑定在处理器上。在手机充电的过程中，毋须调动处理器就能实现快速充电。同时，由于充电是在单独的处理芯片上，德州仪器可以在处理器上增添更多的管理模块，优化手机快速充电的过程，均衡手机充电速度和发热的问题。最大支持 14V 和 5 A 电流的输入，在充电速率上将有很大的提升。

在早期快充2.0时代，手机在充电过程中电源适配器与手机有着可观的发热量，因此在充电过程中控制发热量成为了快充3.0迫切需要解决的问题。骁龙820 搭配了新的“快速充电 3.0”，同时加入了电压调控技术“Negotiation for Optimum Voltage（INOV）”，它能够根据手机的状态，随时调节充电电压，这与联发科的快充技术有些许类似。3.0 版本的快充，支持以200mV 增量，提供从 3.6V 到 20V 电压的灵活选择，试图减少功耗损失，减少充电时的发热问题。当然，这都需要通过成熟产品来进行验证。

支持快速充电手机推荐

高通快速充电手机

对于使用高通方案的智能手机来说（配备骁龙800～骁龙810处理器）都支持快速充电，只不过大部分国行手机在出厂时并没有为用户配备同时兼容5V、9V、12V三种电压规格的快速充电器。因此。使用高通处理器的用户，只要购得一款兼容三电压规格的充电器就能实现快速充电了。

我们在淘宝上以高通QC2.0为关键词进行搜索，就能得到多种选择，由于高通快速充电对线材并没有要求，因此建议用户直接购买充电头即可，不必再购买一根所谓的快速充电线。

MTK快速充电手机推荐

Pump Express Plus技术与高通快充相仿，都对手机处理器芯片有需求。魅族MX5采用的MTK6795处理器自然是支持MTK快速充电技术的，再加上魅族对此项快速充电技术进行了二次优化，在9V电压下能实现1.85A的电流输出，让充电更快速。

金立M5是金立主打超级续航的手机，手机采用6020mAh电池，采用双电池方案，超大电池当然对于快充技术的支持更为有必要，金立M5采用联发科MT6735处理器，支持联发科Pump Express Plus快充技术。虽然金立M5为用户配备了快速充电头，但是充电器仅提供5V和9V两个充电电压，最高支持2A的充电电流。

高通快充衍生版手机推荐

采用麒麟935处理器的华为荣耀7同样支持快速充电，官方在宣传上称该手机采用华为快充技术，但我们可以将其看作是基于高通快充2.0的一个衍生版。荣耀7只有全网通版本才配备快充充电器，其他版本只配备5V2A的充电器。但是，荣耀快充充电器与金立M5一样也只为用户提供5V和9V两个充电电压，缺少12V充电电压的支持。

VOOC快速充电手机推荐

自OPPO在FIND 7上配备了VOOC快速充电技术后，其推出的手机均支持快速充电技术。5V/5A的输出功率为用户带来了超快的充电体验。2015年中，OPPO推出了搭载VOOC 2.0的R7系列，它们在充电时的温度控制、充电速率以及稳定性上都有一定的提升。

智能手机快速充电浅析篇4

充电器输出通过线缆连接到手机, 在手机内部通过DCDC进行电压转换, 一路供给系统, 一路经过MOS管, 供给电池以进行充电, 这就是智能手机充电模型。

但事实上, 一般充电器的输出电压都会随输出电流增大而下降, 即存在等效内阻。线缆和板级走线、MOS导通内阻, 也不是理想的零阻抗, 近似模型如下图所示。

R0:充电器等小内阻;

R1:线缆阻抗;

R2:板级充电线路等效阻抗;

R3:MOS和板级线路等效阻抗;

Vsrc:理想充电器的输出电压;

Vchg:DCDC前端电压;

Vout:DCDC输出电压;

Vbat:电池电压。

为便于分析, 这个模型中, 将充电器等效为理想充电器 (理想充电器输出电压恒定, 可输出电流至无穷大) 和固定电阻的结合体, 这与实际的充电器会随输出电流增加而电压下降的特征是吻和的。

1 模型的数值分析

为便于分析, 作如下假定和定义:

(1) 假定系统耗电是恒定的, 记为Isys;

(2) 假定DCDC转换效率为固定的X%;

(3) 将R0+R1+R2记为Rl, 即Rl=R0+R1+R2;

(4) 充电器输出电流记为Ichg, 流入电池电流记为Ibat。

按照模型, 可得出如下方程:

根据能量守恒定律:

2 恒流充电中各物理量的变化

2.1 恒流充电阶段

恒流充电阶段流入电池的电流不变, 但Vbat会逐渐升高;由式 (2) Vout也会随之升高, 导致DCDC输出功率成比增加;根据式 (3) , DCDC前端需加大输入功率, 为增大输入功率, 需增加Ichg;根据式 (1) , 由于线路阻抗Rl的存在, 在增加Ichg会导致Vchg降低。

一个疑问点, Ichg增加, 但Vchg降低, 这会减少Ichg增加所带来的功率增加, 那么最终功率是否一定能增加?分析一下, 由式 (1) 可得:

这是一个二次函数, Pchg与Ichg关系如图所示。

电流为Vsrc/2Rl时, 达到最大功率V2src/4R2l;在电流升至Vsrc/2Rl前, 功率会随电流增加而增加;当电流为Vsrc/2Rl时, 对应电压Vchg为Vsrc/2。现实中电压是不允许降到这么低的, 故可认为在工作范围内, 功率是随电流增加而增大的。

根据式 (3) , 不难得出满足恒流的必要条件:DCDC前端最大可输入功率*转换效率〉恒流阶段充电最大功率。

2.2 DCDC前端最大可输入功率

如上所述, 理论上DCDC前端最大可输入功率为V2src/4R2l, 但现实中, 一方面为避免额定电流低的充电器, 直接被大电流拉死;另一方面, DCDC输出电压要求高于输出电压, 故会设置Vchg下限Min (Vchg) 。当Vchg等于Min (Vchg) 时, 对应功率为所能提供给DCDC的最大功率, 即图3中阴影面积。

恒流阶段充电最大功率:

在这些参数中, 除Ibat外为常量, 故可得出, 功率与Vbat存在线形关系。当Vbat最高时, 功率最大;恒流过程中, 恒流结束点的电压是最高的, 故此时功率最大。

如果不满足必要条件, 即所能提供给DCDC的功率不够大, 那么当电池电压升到某个值后, 无法提供更大的功率, 当电池电压再进一步升高时, 充电电流只能下降。表现出来是恒流时间短。如果恒流开始阶段功率已达到最大, 那么表现出来就是电流稳不住。

图4给出了功率不满足的典型示意图。t1点达到功率最大值, 由于电池电压的增加是先快后慢, 所以在t1点附近电池下降较快, 后逐渐平缓。电池电压升到一定程度, 电压增幅会很小, 因而电流近似不变。如t2到t3段, 可能被认为是恒流, 但仔细看电流还是会略有下降, 平缓程度会与电池转换有关联。

3 各个参数对恒流能力的影响

要提升恒流能力, 就须从满足必要条件入手, 要么提升DCDC前端最大可输入功率, 要么降低恒流阶段充电最大功率, 我们来分析一下各个参数对这两者的影响。

3.1 Rl阻抗

如图5所示, 阻抗越大到达Min (Vchg) 点的电流就越大, 功率就越小。恒流能力就越差。即:相同条件下, 线损和充电器压降越大, 恒流能力越差。

3.2 Vsrc

如图6所示, Vsrc越低, 到达Min (Vchg) 点的电流越小, 功率就越小, 恒流能力就越差。即:相同条件下, 充电器空载电压越低, 恒流能力越差。

3.3 Min (Vchg)

如图7所示, Min (Vchg) 下限设置越低, Iref越大, 两者围成的面积即功率就越大, 表示充电器可供到DCDC前端的最大功率就越大。即:相同条件下, Min (Vchg) 下限设置越低, 恒流能力就越强。

3.4 Ibat

P=Vout* (Ibat+Isys) 可看出, Ibat越大, 最大充电功率就越大, 恒流能力就越强。即:恒流充电的电流越大, 就越难恒流。

3.5 R3

由Vout=Vbat+Ibat*R3可看出, R3越大, Vout越大, 最大充电功率越大。即:相同条件下, MOS管和连接至电池线路的阻抗越大, 恒流能力就越差。

3.6 Vbat

由Vout=Vbat+Ibat*R3可看出, Vbat越大, Vout越大, 最大充电功率越大。即:相同条件下, 高电压规格的电池要比低电压规格的电池, 保持恒流要困难。

3.7 充电器额定电流

另外考虑到真实充电器输出电流是有限制的, 相同条件下, 额定电流小的充电器, 要比额定电流大的功率小, 所以补充一条:相同条件下, 充电器额定电流越小, 恒流充电的能力就越差。

4 结语

本文从充电模型分析入手, 介绍了充电过程中各物理量的意义和影响。为实现快速充电做好了理论基础, 并理清了改善点和困难点:为了改善恒流, 减小线损、板级走线阻抗、降低Mos管阻抗、电池充电线路阻抗和降低充电器输出电压下限, 均为有效措施;由低电压规格的电池改用高电压规格的电池, 可能会导致恒流稳不住;对额定电流小、额定电压低、压降大的充电器, 容易出现恒流不达标问题;通过降低恒流值能使恒流达标, 但与降低电流前相比, 充电时间会加长。

越快越好？聊聊智能手机的快速充电篇5

还原充电原理

从物理计算公式上来说，功率（P）=电压（U）x电流（I），在电池电量一定的情况下，功率标志着充电速度，因而可以通过下列三种方式来缩短充电时间。

高电压恒定电流模式：一般手机的充电过程是，先将220V电压降至5V充电器电压，5V充电器电压再降到4.2V电池电压。整个充电过程中，如果增大电压，会产生热能，所以充电时，充电器会发热，手机也会发热。而且这样功耗越大，对电池损害也是越大的。

低电压高电流模式：在电压一定的情况下，增加电流，可以使用并联电路的方式进行分流，恒定电压下，进行并联分流之后每个电路所分担的压力越小，在手机中也进行同样处理的话，则每条电路所承受的压力也就越小。

高电压高电流模式：这种方式同时增大电流与电压，这样由之前的公式P=UI，我们可以知道的是，这种方式是增大功率最好的办法，但增大电压的同时会产生更多的热能，这样其中所消耗的能量也更多，并且电压与电流不是无限制地随意增大。

这三种方式有一个共同的问题，那就是对充电器、手机以及充电数据线的电子元件要求更高。高通想利用其技术上的优势使用第三种方式，而以OPPO为代表的厂商选择退而求其次，采用了第二种方式来提高充电效率。

高通 Quick Charge 2.0

高通Quick Charge 1.0技术最高支持10W的充电功率，这意味着在5V的充电电压下，充电电流可以达到2A。而Quick Charge 2.0在Quick Charge 1.0的基础上将最大充电功率进一步增加到了36W，因此大大缩短了充电时间。此外，Quick Charge 2.0还支持5V、9V和12V三种电压，从而进一步提升充电功率。这意味着一台高电压充电器可以适配更多设备，而且可以抵消劣质充电线和较长充电线带来的电压损耗，从而保证充电的效率。

目前已经有大量的智能手机产品支持高通Quick Charge 2.0技术，并且以各家的旗舰机型居多。主要包括：

摩托罗拉Moto X（2014）

摩托罗拉Droid Turbo

Google Nexus 6

三星Galaxy Note 4

三星Galaxy Note Edge

索尼Xperia Z3

索尼Z3 Tablet Compact

小米手机4

OPPO VOOC闪充

VOOC闪充相比传统充电速度提高4倍之多。30分钟可以充到3000mAh电池的75%，而且充10分钟就可以通话2个小时。OPPO的VOOC闪充就是采用的低电压高电流模式，保证充电速度的同时也能减少手机充电时适配器与手机的发热量。OPPO此次向上游供应商定制了全套的IC器件。第一次使用MCU单片微型计算机来取代传统充电电路中的降压电路。智能的MCU管理芯片可以自动识别当前充电设备是否支持VOOC闪充。

如果支持，将会分段横流地实现阶段性电流的输出；如果检测到不支持，会自动使用稳定充电电流实现慢速充电。当然，即便是快速充电，但到了后面一段时间，全力冲刺的充电速度总归要放慢，也就是设计了涓流充电来防止电池过充和预防其他安全副作用。

电动汽车力拼快速充电篇6

未来5到10年实现快速充电

要在很短的时间内把大量电力充进很小的电池, 这对电池技术提出了严峻的挑战。标准锂离子电池根本不能优化, 难以进行快速充电;汽车、插头和接线可能都需要改进, 这样才能大大加快电流。而现在面临的至关重要的问题是——电网是否足够强大?是否经得起数千辆或者数百万辆快速充电电动汽车的巨大冲击?

尽管如此, 各种各样的公司、大型电动汽车企业如通用汽车公司和日产汽车公司, 以及电池制造商如Envia公司、PolyPlus公司和A123系统公司, 都在开发耐用的快速充电电池。这就意味着, 要开发能量密度更高、更小的电池, 且为了减少充电时间, 必须降低离子流内阻。所有这些创新都必须实现, 同时要减少电池起火等灾难性故障的发生, 也要降低制造成本。

保罗·布朗 (Paul Braun) 在伊利诺伊大学 (University of Illinois) 专门从事电池材料研究。他说, 汽车在路上兜风时, 所耗费的电力相当于一盏1万瓦的灯泡。迅速充电就意味着, 电池充电时的电流比放电时快20倍, 这是很大的电力冲击, 是“给住宅供电的很多倍”, 布朗说。

尽管如此, 技术还是一直在进步。许多人认为, 快速充电会在未来5到10年内实现。这种改进是非常必要的。因为, 低排放电动汽车的推广一直很缓慢, 而奥巴马总统的目标是到2015年有100万辆电动汽车上路行驶。现在看来, 这一目标似乎显得过于乐观。

现在市场上行程最远的电动汽车, 比如最近发布的特斯拉S型汽车 (Tesla Model S) , 一次充电可以行驶300英里, 但售价仍超过70, 000美元。日产LEAF售价约30, 000美元, 单次充电可行驶近100英里, 而稍贵一点的福特福克斯电动汽车可行驶类似的距离。特斯拉S型车每充电1小时大约可以行驶60英里, 配有最好的家用电源插拔系统, 甚至LEAF型汽车的较小的电池充电也需要约一个小时。

“雪佛兰福特甚至丰田普锐斯的部分要求, 就是尽量减少消费者驾驶习惯的改变。”Dane Boysen说, 他是能源部高级研究项目署能源处 (ARPA-E) 的项目主管, “你买普锐斯就可以完全不改变驾驶习惯。” (福特和普锐斯都是混合动力汽车, 有时靠电池行驶, 有时烧汽油。) 但是, 现在, 纯电动汽车仍然需要大幅度改变消费者的驾驶习惯。

主要的技术攻关

那么, 缩短充电时间的主要障碍是什么?

“面临的一个主要挑战就是电池有一种电流内阻。”布朗说。锂离子电池充电时, 需要把带电粒子从阴极移动到阳极, 把这些离子移动到阳极很费时间, 而且, 迫使它们加快速度会使电池升温, 导致效率降低。如果加速措施力度太大, 锂离子可能会以金属形态堆积在阳极表面, 这种现象称为电镀, 会极大地缩短电池的寿命。即使不发生电镀, 快速充电最终也会使电池的寿命缩短, 从数千次循环缩短到数百次。

“在传统的电池中, 离子的通道随机性很高, 并不总是能畅通无阻。”布朗说, “这就提高了内阻。”他的研究小组和其他研究小组正在采取各种方法, 创建结构高度合理的内部电池体系架构, 大大加快电子和离子的传输。他们的技术已被一家公司授权, 这家公司就是Xerion先进电池公司 (Xerion Advanced Battery Corp.)

格列布·余新 (Gleb Yushin) 是佐治亚理工学院的材料科学家, 他说, 要改进电池阳极部分的设计, 这部分通常是用石墨制成, 这项改进是一个活跃的研究领域, 既可以提高速度, 也可以减轻电镀问题。颗粒较小的石墨会加快充电, 因为可以使离子进出更容易, 但是, 小颗粒也意味着较低的容量。余新说, 他的实验室以及其他许多人都在设法使用硅和锡材料制备阳极, 这样做, 可以理想地避免快速充电时的电镀问题, 也可以提高电池的能量密度。

其他研究人员在锂离子电池的设计上采取更激进的方式。普列托电池公司 (Prieto Battery) 是科罗拉多州立大学 (Colorado State University) 的附属科研公司, 这家公司采用铜纳米线做阳极, 而且在分离阳极与阴极阵列时, 采用的是聚合物, 而不是标准的液体电解质分离器。这些微小的电线形成三维结构, 缩短了锂离子必须传导的距离。

每充电一分钟行驶30英里

这些方法可能会大幅缩短充电时间。布朗说, 这样就不是每分钟一英里, 合理的目标是每充电一分钟, 可以达到10至50英里的行驶里程。按照这样的速度, 即使是一块大电池, 充电不到10分钟, 就可以达到300英里的行驶里程。

布朗说, 至少在实验室里, 已经存在非常快速的充电。在2011年《自然·纳米技术》杂志上发表的一篇论文中, 布朗的研究小组报告了他们实验中所实现的充电速率, 只需两分钟, 就可以使电池充电量达到90%, 他们使用的是三维纳米架构。同时, 根据普列托的设计, 理论上可以制成400英里行程的电池, 这种电池充电只需10至20分钟。这家公司认为, 在未来一年内, 它的电池就可以商业化;布朗说, 在未来两年至五年内, 就可以达到每充电一分钟行驶30英里。

布朗说:“真正的问题是, 电池的基础成本是否可以足够低, 低到有竞争力呢?成本上升50%是无法容忍的。”

大型汽车公司都明确强调降低成本和提高行程。据报道, 日产LEAF的行程会更长, 达155英里, 而低端版本汽车的售价大约只有27, 000美元。通用汽车公司已投资700万美元给Envia系统公司 (Envia Systems) , 这家公司所达到的电池能量密度是目前正在使用的那些电池的两到三倍, 这就意味着, 成本远低于特斯拉S型的汽车, 也可以达到300英里或更大的行程。Envia公司的电池可用于未来版本的雪佛兰Volt或其他电动汽车。

快速充电站实现快速充电

需要改进的不只是电池。能源部高级项目研究署能源处的Boysen说, 随着快速充电技术的进步, 发展充电基础设施显得至关重要。例如, 在近期, 几乎没有可能进行真正的快速充电, 就是指每分钟充电行驶30英里或更快的充电速度, 这是因为电动汽车都是插在家里充电。而家用电源插座的功率根本就不能提供快速充电所需的大电流。相反, 重点是要建设像加油站那样的充电站。

美国各地已经开始涌现出一些“快速充电站”, 也有更多的充电站出现在世界其他地方, 最多的地方是日本。挪威已经安装了3200台较慢的充电站给电动汽车充电, 计划到年底再增加70个快速充电站。加利福尼亚州的AeroVironment公司也在美国安装快速充电站。这家公司的战略客户总监Frank Wong说, 他们的快速充电站可以在30分钟内使日产LEAF的充电量从20%提高到80%。这家公司有20多个这样的充电站安装在华盛顿州和俄勒冈州, 还有更多的充电站安装在德克萨斯州公路边和其他地方。特斯拉公司近日也宣布, 计划在一年之内在车流量大的路段安装超级充电站, 这种充电站可以在一个小时内给300英里行程的电池充好电。

但是, 如果快速充电站无处不在, 那它们就会使电网负担过重。布朗设想, 假如新泽西州收费公路的停车休息站正好处于上下班高峰期, 100辆汽车都插线充电, 要在短短的几分钟内充好电。他说:“如果他们试图在五分钟内充好300英里行程的电力, 那就需要在旁边建一座大型发电厂。”

有些公司正在寻求其他途径来给电动汽车快速充电, 他们想到电池更换和无线充电, 无线充电需要把电流发射器埋设在公路路面下方。好地方公司 (Better Place) 已在以色列和其他地方安装了电池交换站。这样, 汽车要有像洗手一样方便的电池更换结构, 机器人会给电动汽车换下电量耗尽的电池, 装上新电池。但是, 这样的想法需要大量的基础设施建设, 在短期内不太可能引人注目。这种概念要腾飞, 也必须进行一些电动汽车电池的标准化工作。

快速充电篇7

为推动我国新型工业化进程, 培育战略性新兴产业, 6月6日, 中国工程院院长周济、中国工程科技发展战略研究院常务副院长邬贺栓一行在重庆市副市长吴刚、重庆市发展改革委、市经济信息委、市科委、开投集团等部门负责人的陪同下, 就战略性新兴产业中的新能源汽车产业发展情况到重庆恒通电动客车动力系统有限公司调研。

在认真听取了恒通电动客车总经理邓平对快速充电电动客车研发情况的汇报后, 调研组对快速充电电动客车进行了深入的调研。调研组先后参观了恒通电动客车展厅和生产线, 并考察快速充电电动客车的各种部件、无线控制自动快速充电技术和新能源客车云智慧远程监控系统。随后, 专家组一行试乘了快速充电纯电动客车, 对国家电网重庆空港快速充电站进行了实地考察, 并观看双枪快速充电演示。

【链接】电动客车快速充电

由恒通电动客车公司率先推出的电动客车快速充电技术目前在电动客车领域处于世界领先地位。该技术采用可6C大倍率充放电和15000次全充放循环的新型、长寿命钛酸锂动力电池, 配合专有的双枪快速充电技术和集电弓自动快速充电技术, 使纯电动客车及混合动力客车实现了10分钟快速充电。

目前, 在国际上能够实现快速充电客车技术只有中国、美国、日本三个国家, 美国、日本目前尚在试制和试运行阶段, 而恒通电动客车研发的快速充电电动客车最长的已运行2年多。截止2013年5月, 已有700余台快速充电新能源客车投入重庆30条公交线路上运行;另有近100台投入贵阳、德阳、遵义等地多条公交线路使用。

铅酸蓄电池大电流快速充电方法探讨篇8

蓄电池的实际使用寿命可由函数关系式(1-1)表示:

其中:X1为电池充电;X2为电池放电;X3为控制器;X4为驱动器,L为电池实际寿命。

美国科学家Max曾对蓄电池的充电过程作了大量的试验研究而后提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电曲线,实验表明,如果充电电流接近曲线变化,就可以在缩短充电时间的同时又对蓄电池伤害极微。

当用恒压充电法充电时,充电电源的电压保持一定的数值,随着蓄电池端电压的逐渐升高,电流逐渐减少,因而与恒流充电法比较,其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电,由于充电初期蓄电池电动势较低,充电电流很大,随着充电的进行,电流将逐渐减少,因此它只需简易控制系统。

1 铅酸蓄电池的工作原理与快速充电方法探讨

铅酸蓄电池是一种原电池,实现了从化学能到电能之间的转变。铅酸蓄电池由正负极板,电解液和电解槽组成。正极板的活性物质是二氧化铅(PbO2),负极板的活性物质是灰色海绵状的金属铅(Pb),电解液是浓度为27%-37%的硫酸水溶液。

放电反应式:2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4

充电反应式:PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

快速充电的分类:(1)恒定电压法。恒定电压法是在确定并保持充电电压为某一恒定值的情下,所进行的充电方法。此电压值应选取与蓄电池充电过程中出气点相应的电压值。(2)恒定电流法。恒定电流法是在充电过程中一直保持充电电流恒定的充电方法。为实现快速充电,必须采用较大的电流进行充电,因此造成充电后期蓄电池大量出气,过量出气是不允许的,所以一般不采用。(3)阶段充电法。包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法一般采用恒定电流和恒定电压相结合的快速充电方法。首先以恒定电流充电至预定的电压值,然后改为定电压完成剩余的充电。一般两阶段转换电压就是第二阶段的恒定电压。三阶段充电法是在充电开始和结束是采用定电流,中间用定电压充电。当电流衰减到预定值时,由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量衰减到最少,但作为一种快速充电方法,还受到限制。(4)Reflex快速充电法。Reflex充电模式的一个周期由3个模式组成:正向充电脉冲,反向瞬间放电脉冲,维持及检测用的脉冲。(5)变电流间歇充电。它是建立在恒流充电和脉冲充电的基础上,其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法,保证加大充电电流,获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段,获得过充电量,将电池恢复至完全充电态。(6)变电压间歇充电法。在变电路间歇充电的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。此法较变电流间歇充电更符合最佳充电曲线。

2 铅酸蓄电池大电流快速充电方法

任何一种充电制度都必须规定充电电流的大小及其变化规律。为了缩短充电时间,必须加大充电电流值,控制充电电流变化规律。脉冲充电放电去极化快速充电制度,要从充电电流和去极化措施两方面确定实现蓄电池快速充电必须遵循的原则。因此,(1)快速充电电流值不宜过大,(2)充电电流应随着充电的进行而逐渐降低,(3)充电过程中必须采用适当的去极化。通过以上的讨论,结合脉冲充电、Relflex快速充电、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法的优点认为变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法比较能满足现有需求。脉冲充电法充电电路的控制有两种:脉冲电流幅值固定不变,PWM(驱动充放电开关管)信号的频率可调,从而调节充电电流;另一种就是脉冲电流的幅值是可变的,而PWM信号的频率是固定的。这里说明的是采用了一种不同于这两者的控制模式,脉冲电流幅值和PWM信号的频率都是固定的,而PWM占空比可调,并在此基础上加入了间歇停充阶段,提高蓄电池的充电接受能力。

3 铅酸蓄电池大电流快速充电方法硬件电路的实现

系统硬件包括两个大部分:充电电源设备以及控制电路。主要由半桥功率变换器、驱动器、PWM控制器、微处理器、充电电路、放电电路六部分组成,并具有过流保护,过压保护。结合软件还可实现电池接反和掉电检测。采集到的电池端电压、充电电流、电池温度等状态信息,送入CPU进行必要的处理和判断并得到相应的控制电压,单片机输出充电信号、间歇停止充电信号、放电信号脉冲到充电、放电电路,从而实现对蓄电池充电、停充和放电持续时间的控制,对各个阶段内充电电流以及充电电压的平均值进行调节,使其符合充电电流接受率下降的特点。同时在充电过程中,通过反馈电阻反馈信息到PWM控制器的内部电流误差放大器和内部电压误差放大器的反向和同向输入端,实现充电电源输出恒流和恒压的控制,并且通过调节反馈电阻值的大小,实现限流值和限压值的调节,以适应不同的蓄电池。

4 结束语

本文针对铅酸蓄电池动力系统,对各种大电流充电方法进行了探讨并介绍了一种新颖的波浪式正负零脉冲间歇柔性快速充电方式。研究主要内容:通过对蓄电浊电化学规机理的研究,特别是极化现象成因的分析,说明了用零脉冲细负脉冲去极化的充电方法;比较了传统的恒流充电和恒压充电方案,二阶段充电方案,以及正、零脉冲充电方案,变电流间歇充电方案,变电压间歇充电方案,在充分分析它们各自的特点的基础上介绍了利用动态调节占空比和间歇时间以实现变电压变电流波浪式正负零脉冲快速充电方法。

参考文献

[1]谢自美等.电子线路综合设计[M].华中科技大学出版社.

[2]张占松.开关电源的原理与设计(修订版)[M].电子工业出版社.

电动自行车快速充电器的研究篇9

电动自行车作为中小城市人们出行的主要代步交通工具,其动力基本上来源于铅酸蓄电池。铅酸蓄电池作为电动自行车的核心部件,其充电技术一直不太成熟。传统的蓄电池充电方式有恒压充电、恒流充电、阶段式充电[1]。由于这些充电方式无去极化措施,会影响蓄电池的充电时间、容量和寿命。定电压正负脉冲快速充电方法具有恒压充电的特性,即在保持充电电压不变的情况下随着充电过程的进行蓄电池端电压逐渐升高,充电电流自动逐渐减小,符合马斯最佳充电曲线,遏制了极化现象。因而这种充电技术比较接近蓄电池充电接受特性,克服了一般快速充电因电流恒定不变不能适应蓄电池充电接受特性的缺陷。但是快速充电器的系统稳定性欠佳,通过设计合理的反馈补偿网络,改善了系统的响应。

2 电动自行车快速充电器

2.1 系统结构

系统框图如图1所示。系统由双管正激变换主电路、采样电路、单片机、SG3525、显示模块和隔离补偿网络组成。220V交流电经共模抑制和整流滤波后直接送给正激变换电路的输入端。主电路采用双管正激变换电路,使开关管承受的电压仅为单管时的一半,磁复位容易实现。辅助电源采用稳压管与LM7815配合为SG3525提供工作电压。SG3525经脉冲变压器提供PWM脉冲驱动信号给两个开关管,并实现对主电路的反馈补偿设计。由于SG3525是电压模式控制芯片,采样电路采集输出电压信号,并经光耦合器隔离后送给SG3525反馈输入端。单片机用于控制显示电路和蓄电池的放电回路。

2.2 快速充电器主电路和控制电路

图2(a)所示为快速充电器的主电路图。功率开关管M1和M2同时通断,由SG3525控制。M3导通时蓄电池放电,M4导通时给蓄电池充电,M3和M4的通断由单片机PIC16F877控制。主电路的工作时序,阶段1,M4导通M3截止,给蓄电池充电;阶段2,M3和M4都截止,蓄电池恢复阶段;阶段3,M3导通M4截止,蓄电池经放电回路放电;阶段4,M3和M4均截止,这个阶段电池既不充电也不放电。

图2(b)所示为快速充电器的控制电路。辅助电源为SG3525提供工作电压。SG3525是采用电压模式控制的集成PWM控制器,振荡频率由接在管脚5、6、7处的电容、电阻决定。图腾柱输出两路互补PWM驱动信号。由于双管正激电路要求两管子同时通断,这里仅使用一路,并经脉冲变压器得到两路相同的驱动信号。管脚16能够提供5.1V的基准源,可用于隔离光耦合器的供电。管脚1为反馈信号输入端,配合管脚9可设计补偿电路。

3 双管正激变换器反馈补偿网络设计

3.1 反馈补偿前系统波特图

正负脉冲充电方式对正激变换主电路要求具有更高的稳定性,为了使正激变换器满足静态和动态指标的要求,需要设计良好的反馈补偿网络。根据正激变换器的小信号模型[2],推得占空比至输出的传递函数为:

式中,输入电压Uin=310 V;输出电压Uo=36 V;变压器等效电感L=0.3m H;滤波电容C=1000μF;假设蓄电池的电阻R=1~50Ω,占空比D=0.3,变压器原绕组和副绕组的匝数比为n=2.58,取RT=1 kΩ,RD=1 kΩ,CT=0.01μF,则开关频率为27 k Hz。将以上参数(取R=1Ω)代入Gud(s)得:

用Matlab仿真,不加反馈补偿网络时的系统Bode图如图3所示。由图3可见,当R=1Ω时相位裕度为2.8761°。而R=50Ω时系统频率响应最差,此时系统的截止频率为3.1963k Hz,相位裕度为0.0575°。该系统的稳定裕度太小,系统参数的微小变化都有可能引起振荡,需要设计补偿网络。

3.2 反馈补偿设计

如图4所示的反馈补偿电路,输出电压经电阻分压得到2.5V电压后送给TL431,并与TL431内部提供的2.5V基准电压进行比较来控制流过光耦合器的电流。将SG3525内部的误差放大器接成电压跟随器,而将TL431内部的误差放大器设计成补偿电路。PWM模块的传递函数为:GM(s)=1/VM=1/2.5[3],电压采样电路传递函数为:

Gc(s)=Gc1(s)Gc2(s)为补偿网络的传递函数,取光耦合器的电流传输比CTR为1.5,则光电耦合器的传递函数为:

采用双极点-双零点补偿网络,TL431补偿网络的传递函数为:

其中各参量的定义见文献[4]。用补偿网络的一对零点ωz1和ωz2来抵消控制对象中的双重极点引起的相位滞后,设为与被控对象的极点角频率相等:

根据文献[5]将ωp2选为5倍被控对象的穿越频率:

另一极点角频率ωp1比ωp2略小,选为2倍的穿越频率:

反馈补偿后双管正激变换器的开环传递函数为:

式中,蓄电池电阻取R=1~50Ω;比例系数K'用于调整增益。用Matlab仿真反馈补偿后系统的Bode图如图5所示,当R=1Ω时,系统的相位裕度为53.3880°,幅值裕度为10.5420 d B,而R=50Ω系统的响应相对较差,此时系统的相位裕度为48.2622°,截止频率1.798 k Hz,幅值裕度为10.1217 d B。可见,经反馈补偿后,系统的稳态误差、动态响应均得到改善,达到了设计的要求。

4 仿真与实验验证

根据反馈补偿后的开环传递函数,利用Simulink提供的仿真模块,搭建仿真模型如图6(a)所示,用模拟示波器所观察的输出电压的阶跃响应如图6(b)所示,响应速度满足设计的要求。

如图7所示是使用0.1Ω的电阻采样得到的正负脉冲充电电流波形,正负脉冲的频率在70Hz左右。负脉冲约为正脉冲的1.5倍。图7(a)为反馈补偿前的波形,经反馈补偿后的波形如7(b)所示,波形的超调量明显变小,干扰也得到抑制。

5 结论

研发了一种单片机控制的正负脉冲式电动车快速充电器。通过仿真和实际测试,证实这种快速充电器具有较好的动态和静态稳定性,抗干扰能力强,可以提升蓄电池的充电速度,延长蓄电池的使用寿命。

参考文献

[1]侯聪玲,吴捷,李金鹏,等(Hou Congling,Wu Jie,Li Jinpeng,et al.).蓄电池充电方法的研究(Research on battery charging technology)[J].电源技术应用(Power Supply Technologies and Applications),2008,7(2):118-121.

[2]徐德鸿(Xu Dehong).电力电子系统建模与控制(Power electronics system modeling and control)[M].北京:机械工业出版社(Beijing:China Machine Press),2005.

[3]王世伟,王春芳,张宁(Wang Shiwei,Wang Chunfang,Zhang Ning).列车用升降压变换器的研究(Research of buck-boost converter for trains)[J].青岛大学学报(工程技术版)(Journal of Qingdao University Engineering&Technology Edition),2008,23(1):88-93.

[4]张卫平(Zhang Weiping).开关变换器的建模与控制(Switch converter modeling and control)[M].北京:中国电力出版社(Beijing:China Electric Power Press),2006.

快速充电篇10

摘要：文章以智能手机快速充电的国内外专利申请数据为分析样本，从相关专利的时间分布、申请人分布、技术概况等角度进行了分析和研究，探讨近几年主要申请人的技术，并对该方向的专利审查领域作了应用实例分析。

关键词：专利申请；快速充电

中图分类号：F426.6；G306 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0077-03

1 手机充电技术概述

1.1 理论概念

1972年来自美国的科学家J.A.Mas在研究中发现蓄电池充电过程中存在最优充电曲线：

I=I0eαt。

目前致力于充电方法都是基于最优充电曲线开展的，如图1所示，如电流超过最优充电曲线，不仅无法提高充电速度，且导致电池的吸气量增加；但低于此最优曲线的话，充电时长会增加。

1.2 充电技术

1.2.1 恒流充电

根据电流的大小本充电方法可分为恒流充电和快速充电。在充电过程中，一般通过调节充电电源电压或改变串联阻值，保持电池的电流大小。

1.2.2 恒压充电

整个充电过程中，充电电压保持不变，而电流的变化与电池的大小自动调整，充电后期，充电电流逐渐减少。

1.2.3 恒流恒压充电

恒流恒压充电既不像恒压充电开始时电流过大，又不同于恒流充电后期电流过大，该方法结构简单，但它不能消除极化现象，故影响充电的效果。

1.2.4 间歇充电法

间歇充电法包括电压变化的间歇充电法和电流变化的间歇充电法。

1.2.5 脉冲充电

脉冲充电曲线，主要包括三个部分：第一部分预充；第二部分恒流充电；第三部分脉冲充电。前两部分同之前所述的，而在第三部分脉冲充电过程中，电压下降速度越来越慢，停止充电的时间会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，则终止充电。

2 手机快速充电技术概述

在电池应用方面，对于使用者来说，有一个很难均衡的问题，就是在电池容量和充电时间的取舍方面。当电池容量较大的时候，那充电一次所要耗费的时间最起码要3～4 h，更有甚者，7～8 h才是最基本的。

而对于用户来说，在未充满电的情况下，频繁充电，按照大多数人的说法，这样对电池是有损害的。但电池容量太小的话，在当前终端耗电如此之大的情况下，也不可取。因此，如何实现电池容量既大，而充电时间又快的方式是需要思考的，手机快速充电部件方面专利技术分支图如图1所示，手机快速充电部件见表1。

以下为重点国家关于手机快速充电的专利量分布，如图3所示。

以下为各国近十年来手机快速充电的专利申请量趋势，如图4所示。

以下为中国近十年有关手机快速充电的专利申请量趋势，如图5所示。

以下为中国占全球有关手机快速充电的专利申请量比例，如图6所示。

3 重要申请人相关技术简介

高通、台湾联发科技股份有限公司以及广东欧珀移动通信有限公司在这方面起了排头兵的作用。

3.1 高通股份有限公司

高通股份有限公司（US2008/0258688A1）于2008年提出了一种快速充电方法，该充电技术使用输入电压检测电路检测来自电源的电压，并使用可调整电流限制电路改变调节器的输入或输出电流以优化从电源汲取的电力。

基于该专利，高通公司在市场上推出Quick Charge1.0和以及发展出Quick Charge2.0技术。

3.1.1 Quick Charge1.0技术

Quick Charge1.0技术采用了自动调节充电模式，当你在5 V、1 A这种制式下，当你的电池电压比较低得时候，给电池充电的电流，实际上是高于输入电流的。

功率方面几乎可以说是持平的。自动调节充电的方式进一步提升了充电电流，也就缩短了充电时间。与传统USB充电技术相比，充电速度提升40%。

3.1.2 Quick Charge2.0

在Quick Charge2.0中，设计了两种方案，即A类和B类。A类可以提供输出5 V、9 V、12 V三种电压。通过提高电压的方式，让电源适配器能够提供更多的电量给到手机终端。

从总功率方面来讲，Quick Charge2.0已经完全考虑到未来终端发展的趋势。乃至到手机、平板、笔记本电脑融合的趋势，在总功率的规划方面，规格已经做的相当高。现有的A类方案，可以支持到36 W。

未来的B类方案，电压将支持到5 V、9 V、12 V、20 V四种电压，功率可以达到60 W。因此基本上笔记本电脑，和多节电池串联的构架，都可以得到满足。

3.1.3 Quick Charge 充电优势

在充电速度方面，采用Quick Charge技术之后，消费者可以尽享便捷充电的优势。传统的线性充电其充电电流小于1 A。（如果充电电流大于1 A的话，设备就过热了）以一个3 300 mAh的电池举例，传统的线性充电方式充电，要长达4 h左右。而Quick Charge 1.0将充电电流提升到1.8～2 A。基本上可将充电时间缩短到40%。如果更进一步，使用Quick Charge 2.0标准，使用3 A的充电电流的话，那么在1小时多一点的时间，就可以完成充电。

3.2 台湾联发科技股份有限公司

台湾联发科技股份有限公司（US2013/0038297A1）于2013年公开了一种快速充电技术，该充电技术用于对充电器件的充电电流进行调整，包括：监测充电器材的工作电压，所述充电器材的工作电压包括充电电压与电池电压的差值；根据所述充电器材的工作电压调整所述充电器材的充电电流，从而提高电池充电效率，加快充电时间。

基于该专利，联发科技股份有限公司在市场上推出了Pump Express快速充电技术。

3.2.1 Pump Express 技术详解

锂离子电池的充电过程可以分为以下三个部分：预充、恒流、恒压。

由于预充是为了帮助过放电的锂离子电池恢复介质活性，所以需要较小的电流，充电过程中花费大量时间的是在恒流阶段，因此，大电压和电流只能用于恒流阶段。

基于以上原理分析，我们可以得出一种手机快速充电的定义：手机充电过程中根据电池电压、电量和温度等参数动态请求充电器调整输出电压和电流的方法。

而MTK Pump express正是采用了减少恒流充电时间而提出的一种快速充电方式。

3.2.2 Pump Express亮点

Pump Express为快速直流充电器提供的输出功率<10 W（5 V）。

Pump Express Plus为充电器提供的输出功率>15 W（高达12 V）。

4 应用实例

以上对手机快速充电进行了分析和梳理，目的是使审查员透彻了解本领域的技术发展状况，以便在案件审查过程中更快理解发明的技术方案，准确获取发明点，从而提高检索效率。下面通过具体案例说明该专利技术综述在审查过程中的作用。

案例申请号：201310047333.5