找出并且解决电池充电时电源供应器的杂讯问题

图1：典型的锂离子电池充放电周期。

在设计电池供电产品时，工程师必须确保电池在各种应用中可正常运作。工程师虽然可以使用电池测试设备来进行测试，但有时他们会使用市售的标准电源供应器为电池充电，并使用现成的电子负载将电池放电。研发实验室多半采用标准的电源测试设备，相较于专用电池测试仪，它们的灵活性更高，因为您可透过程序来控制标准的电源供应器和电子负载，以提供各种不同的充放电特性，进而满足特定的应用需求。

让我们来看看使用标准电源供应器，在锂离子电池典型的充放电周期中进行放电的步骤(参见图1)。开始充电时，可透过程序将电源供应器设定为所需的充电电流，然后以定电流(CC)进行操作，之后电池的电压便会上升。在充电过程中，电池会充电至开路电压。当电源供应器达到程控的电压上限(此上限设定为电池的开路电压)，便开始在定电压(CV)模式下操作。

一旦进入CV模式，从电源供应器流入电池的电流便开始下降，而电池的电压则保持固定。您希望充电电流降到低于预定截止值(cutoff value)时就结束充电。举例来说，对大型电池(例如汽车用的大型续电池)进行充电时，如果最大充电电流为20A，则截止电流可能是50 mA。一旦电池达到截止值，便可视为充饱电，应停止充电，而电池充放电周期会进入下一个阶段，通常是进入休止期。

首先，我们来想想要用什麽样的仪器来量测电池的充电电流。本文讨论的是高电流充电，使用电流表来量测电流可能不切实际，因为最大电流会超出一般DMM的额定电流。所以，我们假设您使用电源供应器内建的电流量测功能来量测充电电流。我们稍后会回来探讨这个议题。

如上所述，为了结束充电步骤，我们需量测充电电流并与截止值作比较。电流量测若有杂讯，则难以确认截止充电步骤的正确时间点。相较于最大充电电流，截止电流临界值只是很小的电流值，因此您需在很宽的电流动态范围内进行量测，而杂讯在动态范围最低处的影响最大。前面提及我们所量测的是最大充电电流为20 A，截止电流为50 mA的大型电池。若在全充电电流为20 A时看到100 mA的杂讯，此杂讯将导致0.5%的量测误差，这样的误差勉强可以忍受。然而，100 mA杂讯会掩盖50 mA的截止电流，使得我们难以确认要停止充电的正确时间。

认识电流量测杂讯的来源

我们用以下的测试配置来说明(参见图2)。在这个简单配置中，电源供应器连接到需要充电的电池，通常是建模成具串联电阻器的理想电池。量测此串联电阻时，我们可使用专用电池设备或利用LCR电流表，来执行交流电阻(ACR)量测。不同电池类型的内电阻都不一样，大电流电池为10毫欧姆，更小的电池为100毫欧姆，而钮扣电池等超小电池则为1欧姆或更高。此范例为大电流电池，所以我们假设内电阻为10毫欧姆。

进行电池充电的电源供应器，在输出端有电压杂讯。就10 V电源供应器而言，合理的峰对峰电压杂讯规格是10 mV。图3显示电池与电源供应器的简单模型，其中显示阻抗和杂讯源。频率低于100 Hz时，R_{ps_out}几乎是0 ohms。电源供应器的输出电压杂讯，其呈现方式是与直流输出串联的交流电压源。根据欧姆定律：I_noise = V_noise/(R_{ps_out} + R_cell)，在电池中此交流电压(杂讯)是以横跨超低欧姆串联电阻器的交流电流形式呈现。

电流量测结果的杂讯不是量测杂讯，而是电源供应器输出电压造成的真正电流杂讯，以通过电池内串联电阻的电流来呈现。即使是低杂讯电源供应器，也会在电池内电阻这麽低的状况下，产生电流杂讯。

出现电流杂讯时，要测定充电过程是否已达截止电流，最简单的方法是将量测结果进行平均运算。只要将长达数秒甚或1分钟的量测积分时间套用至电流量测结果，便可将交流杂讯成分平均化，之后您可量测到稳定的直流值，并将它与截止临界值加以比较。然而，电源供应器如果没有可程控的电流量测积分时间，该怎麽办？此时，您可进行多次量测，并将这些量测结果传到电脑进行平均运算，再用得到的平均数来判断是否已达截止电流。

另一种方法是采用与电池串联的电感器(参见图4)。电感器在低频时具有低阻抗，在高频时则有高阻抗。同样的，根据欧姆定律，I_noise= V_noise/(Z_{ps_out} + Z_inductor + Z_cell)，当频率升高，Z_inductor会跟着升高并影响分母，使得电流杂讯I_noise随着频率升高而降低。因此，在更高频时，电感器可发挥低通滤波器的作用，以便衰减杂讯。如此可净化杂讯，以便判断是否已达直流截止电流。在理想状况下，滤波器会衰减至低于10 Hz，以大幅减少靠近直流的杂讯电流。假设充电电池为20 A且电池串联电阻为10毫欧姆，电感器需要100微亨(microHenry)的电感值。请注意，电感器要能够承载20 A的全直流充电电流，因而不可能是小型的表面黏着元件。不过用手将电线缠绕在环形磁心上来制作电感器仍然可行。

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