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快速充电技术介绍

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发布于 2015/01/26 18:27
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一、电池的发展历史

               电池的发展史由1836年丹尼尔电池的诞生到1859年铅酸电池的发明,至1883年发明了氧化银电池,1888年实

        现了电池的商品化,1899年发明了镍-镉电池,1901年发明了镍-铁电池,进入20世纪后,电池理论和技术处于一度

        停滞时期。但在第二次世界大战之后,电池技术又进入快速发展时期。首先是为了适应重负荷用途的需要,发展了

        碱性锌锰电池,1951年实现了镍-镉电池的密封化。1958年Harris提出了采用有机电解液作为锂一次电池的电解质,

        20世纪70年代初期便实现了军用和民用。随后基于环保考虑,研究重点转向蓄电池。镍-镉电池在20世纪初实现商

        品化以后,在20世纪80年代得到迅速发展。

               随着人们环保意识的日益增加,铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制,因此需要寻找新的可代替传统铅酸电

        池和镍-镉电池的可充电电池。锂离子电池自然成为有力的候选者之一。1990年前后发明了锂离子电池。1991年锂

        离子电池实现商品化。1995年发明了聚合物锂离子电池,(采用凝胶聚合物电解质为隔膜和电解质)1999年开始商

        品化 。

 

 

二、锂离子电池的优缺点

        1. 优点

            a. 高能量密度
                锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半,体积是镍镉的20-30%,镍氢的35-50%。
            b. 高电压
                一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值),相当于三个串联的镍镉或镍氢电池循环寿命高
            c. 循环寿命高
                在正常条件下,锂离子电池的充放电周期可超过500次,磷酸亚铁锂(以下称磷铁)则可以达到2000次。
            d. 无记忆效应
                记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中,电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。
            e. 高低温适应性强
                可以在-20℃--60℃的环境下使用,经过工艺上的处理,可以在-45℃环境下使用

        2. 缺点

           a. 锂原电池均存在安全性差,有发生爆炸的危险高电压

           b. 钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电,价格昂贵,安全性较差

           c. 锂离子电池均需保护线路,防止电池被过充过放电

           d. 生产要求条件高,成本高

           e. 使用条件有限制,高低温使用危险大

 

三、锂电池的充电原理

              锂离子电池的充电过程可以分为三个阶段:涓流充电(低压预充)、恒流充电、恒压充电。

              锂电池的充电方式是限压恒流,都是由IC芯片控制的,典型的充电方式是:先检测待充电电池的电压,如果电

       压低于3V,要先进行预充电,充电电流为设定电流的1/10,电压升到3V后,进入标准充电过程。标准充电过程为:

       以设定电流进行恒流充电,电池电压升到4.20V时,改为恒压充电,保持充电电压为 4.20V。此时,充电电流逐渐下

       降,当电流下降至设定充电电流的1/10时,充电结束。

              下图为充电曲线:

 

               下图为锂电池充电的三个阶段:

              阶段1:涓流充电
                     涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电,

              涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例,则涓流充电电流为100mA)

 

              阶段2:恒流充电
                     当电池电压上升到涓流充电阈值以上时,提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之

              间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V.

 

              阶段3:恒压充电
                     当电池电压上升到4.2V时,恒流充电结束,开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度,随着充电过程

              的继续充电电流由最大值慢慢减少,当减小到0.01C时,认为充电终止。(C是以电池标称容量对照电流的一种

              表示方法,如电池是1000mAh的容量,1C就是充电电流1000mA。)

 

四、锂电池的快速充电技术

       ► BC1.2规范颁布之前

              在2007年第一个电池充电规范颁布之前,尝试为电池充电本质上是一种冒险——结果非常难以预测。当2000年

       出现USB 2.0时,外设默认吸收100mA电流,除非明确协商将电流增大至最高500mA。如果总线上经过一段延迟后

       没有数据活动,总线将进入“挂起”模式,将允许吸收电流限制到2.5mA。如果便携设备的电池完全耗尽,尝试利

       用标准端口进行充电时,则只能可靠吸收2.5mA电流!

               实际上,许多电子设备制造商并不严格遵守USB 2.0规范,在其提供的USB端口中不采用这些电流限值。有些

      (大多数)USB端口无论枚举还是持续活动都允许100mA电流;有些端口甚至提供500mA电流,而不考虑必要的功

       率协商。有些便携设备的应用要求超过100mA的电流,并错误假设USB端口总是能够提供500mA电流。

 

       ► BC1.2规范的推出

              电池充电并不是USB的原始特性,因此,在BC1.2颁布之前,官方并未就为关断设备的电池充电做出任何规

       定。通过建立清晰的USB端口供电能力沟通方法,BC1.2规范改进了其中许多问题。

              BC1.2规范简要规定了三种不同类型的USB端口和两种关键对象。“充电”端口是可提供500mA以上电流的端

       口;“下行”端口按照USB 2.0规范传输数据。BC1.2规范也确定了每个端口应如何向终端设备枚举,以及识别应用

       端口类型的协议。

              三种USB BC1.2端口类型为SDP、DCP和CDP 。
 

       ► BC1.2的三种端口

            ● 标准下行端口(SDP)
               这种端口的D+和D-线上具有15kΩ下拉电阻。限流值如上讨论:挂起时为2.5mA,连接时为100mA,连接并配置

               为较高功率时为500mA。

            ● 专用充电端口(DCP)
               这种端口不支持任何数据传输,但能够提供1.5A以上的电流。端口的D+和D-线之间短路。这种类型的端口支持

               较高充电能力的墙上充电器和车载充电器,无需枚举。

            ● 充电下行端口(CDP)
               这种端口既支持大电流充电,也支持完全兼容USB 2.0的数据传输。端口具有D+和D-通信所必需的15kΩ下拉电
              
阻,也具有充电器检测阶段切换的内部电路。内部电路允许便携设备将CDP与其它类型端口区分开来。


 

 

 

           ► 充电过程剖析

            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,功率标志着充电速度,我们可以通

            过下列三种方式来缩短充电时间。

            1. 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,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。

 

            2. 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,这个每条电路所承受的压力也就越小。

 

            3. 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是越多,并且电压与电流不是无限制的

                随意增大。


 

            ► VOOC闪充

             1. 什么是VOOC闪充?

                         VOOC闪充是OPPO独立自主研发的快速充电技术,并申请16项专利,将最快充电速度提升了4倍以上,

                 并有无懈可击的智能全端式五级防护,是全世界最快最安全的手机充电技术。

                         VOOC闪充在OPPO Find 7上率先使用。作为采用3000毫安电池的OPPO Find 7,采用VOOC闪充时,充

                 电5分钟即可打电话2个小时,30分钟手机电量可直接充到75%。

                         VOOC闪充需要定制的适配器和电池搭配下使用。OPPO定制了专门的适配器、电池、数据线、电路、接

                 口,并首次在适配器中加入MCU智能芯片;这也就让VOOC闪充使用的适配器成为首个可以升级的智能充电

                 器。在此基础上,OPPO深度研发了智能全端式五级防护技术。

 

              2. VOOC闪充的实现原理

                        上面提到了缩短充电时间的三种方式,OPPO选择了第二种方式。通过提高充电电流来缩短电池的充电时

                 间。充电时,如果电流太大,会引起电池的发热量大幅增加。为了减小电池的发热量,OPPO将一块电池分成

                 了几个小块的充电单元,每个充电单元单独提供电流充电,因此实际上是通过分流充电实现大电流充电的。

                 种方式在需要硬件上的支持,包括电池电芯、连接线和充电器的定制。

                        下面这张图对实现原理有很形象的描述:

 

                          OPPO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,将会分段横流的

                   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。

                          专门定制电路、电芯(8触点)、7Pin接口、数据线,配以智能MCU芯片的适配器,与手机连接后即可自动

                   调节电流电压,输出电流高达4.5A,充电速度足足提升4倍。Find 7轻装版标配闪充电池容量为2800毫安,官

                   方透露,充电5分钟就能打两小时电话,30分钟可直接飙到75%。


 

              3. VOOC闪充的安全性和兼容性
                  ● 安全性
                      VOOC闪充有五级安全保护措施,首次将充电安全指数由PPM(百万分之一)提升至航天充电安全级别

                      DPM(十亿分之一)。
                      第一级: 适配器过载保护
                      第二级: VOOC快速充电条件判断
                      第三级: 端口过载保护
                      第四级: 电池过载保护
                      第五级: 电池熔断器保护

                  ● 兼容性
                     由于VOOC闪充技术是属于OPPO独家的技术,目前只有Find 7才能使用这个技术,因此没有对其他厂家的

                     平台进行兼容。硬件接口定制的,连接线采用7pin,不同于mico USB接口的4pin,没有遵循BC1.2的规范。


 

        ► Quick Charge 2.0

             1. 什么是Quick Charge2.0?

                        前面已经讨论过,目前市场上主流的移动设备充电是基于USB接口的一种通用标准(BC1.2)。5V电压,

                 电流上限是1.8A,那么我们能得到的最大功率就是5V * 1.8A = 9W,那么9W折算到充电电流来讲,最大极限

                 就是2A左右。显然,对大容量电池来说,这个充电效率是不够的。因为USB连接线有阻抗的原因,充电电流

                 不能被设置太大,因此想提高充电功率就只能提高充电电压了。

                        基于以上考虑,高通推出了在Quick Charge v2.0。该方案中,可以将电源适配器提到为5V、9V、12V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移动终端。

 

             2. Quick Charge2.0的实现方式

                        在Quick Charge v2.0中,电源适配器5V输出到主板,主板上的充电电路得到5V电压,会对电池进行充

                 电,在USB D+、D-线上,会有一个BC1.2的握手,除此之外没有更多额外的控制引脚和接口,所有的控制还

                 是运行在USB的D+、D-信号线上的,并且它是兼容BC1.2的。

                        除此之外,在BC1.2的基础上,Quick Charge v2.0的电路会再判断一次,电源是否支持Quick Charge2.0。

                 如果电源支持,终端再请求电源适配器提供更高的电压。这一系列的握手,都是建立在BC1.2标准基础之上

                 的,所以v2.0也是充分向前兼容的。在终端主板端,也提供了片上和独立的switching charger方案供OEM厂商

                 选择。

             3. Quick Charge2.0的充电优势

 

             4. Quick Charge2.0的安全性和兼容性
                 ● 安全性
                           高通的Quick Charge 2.0充电技术,其也是需要在充电器以及手机内部芯片上面做一定的处理,才能实

                    现。通过芯片电路和接口保护,在安全级别上没有VOOC快速安全系数高。

                 ● 兼容性
                           随着Qualcomm在市面上全面推广Quick Charge技术,未来在市面上使用Quick Charge技术的移动终端

                    会越来越多。支持Quick Charge v2.0的移动终端,使用普通的USB 5V电源适配器,也可以工作。支持不同

                    电压的v2.0的电源适配器,也可以给其他普通终端充电。采用Quick Charge技术的设备,向下的兼容性是没

                    有任何问题的;传统手机和电源适配器,也向下兼容Quick Charge的设备。

                           此外,Quick Charge2.0是兼容BC1.2规范的。


本文转载自:http://blog.csdn.net/wlwl0071986/article/details/39048593

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