(12)Android之路====Battery(1),基础知识篇
本篇介绍battery基础知识,包括硬件特性,充放电和软件配置及一些流程的归纳总结.
锂电池硬件特性
"锂电池",是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。
工作原理
摇椅理论,锂电池的充放电不是通过传统的方式实现电子的转移,而是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入,发生能量变化。在正常充放电情况下,锂离子的出入一般只引起层间距的变化,而不会引起晶体结构的破坏,因此从充放电反映来讲,锂离子电池是一种理想的可逆电池。在充放电时锂离子在电池正负极往返出入,正像摇椅一样在正负极间摇来摇去,故有人将锂离子电池形象称为摇椅电池。
电池寿命
在正常条件下,锂离子电池的充放电周期可超过500次,磷酸亚铁锂则可以达到2000次.锂电池的寿命主要体现在充放电周期上,这个周期是一个绝对概念,上次使用了30％电力,充满电,下次又使用了70％的电力,又充满电,这个刚好是一个充电周期。
电池特性
优点
1．能量比较高,具有高储存能量密度,已达到460-600Wh/kg,是铅酸电池的约6-7倍;
2．使用寿命长,使用寿命可达到6年以上,磷酸亚铁锂为正极的电池1C(100%DOD)充放电,有可以使用10,000次的记录;
3．额定电压高(单体工作电压为3.7V或3.2V),约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压,便于组成电池电源组:锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术,将电压调至3.0V,以适合小电器的使用;
4．具备高功率承受力,其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力,便于高强度的启动加速;
5．自放电率很低,这是该电池最突出的优越性之一,一般可做到1%/月以下,不到镍氢电池的1/20;
6．重量轻,相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5;
7．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;
8．绿色环保,不论生产、使用和报废,都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质;
9．生产基本不消耗水,对缺水的我国来说,十分有利。
缺点
1．锂原电池均存在安全性差,有发生爆炸的危险;
2．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;
3．锂离子电池均需保护线路,防止电池被过充过放电;
4．生产要求条件高,成本高;
5．使用条件有限制,高低温使用危险大。
爆炸原因
1、内部极化较大;
2、极片吸水,与电解液发生反应气鼓;
3、电解液本身的质量、性能问题;
4、注液时候注液量达不到工艺要求;
5、装配制程中激光焊接密封性能差,测漏气时漏气;
6、粉尘、极片粉尘首先易导致微短路;
7、正负极片较工艺范围偏厚,入壳难;
8、注液封口问题,钢珠密封性能不好导致气鼓;
9、壳体来料存在壳壁偏厚,壳体变形影响厚度;
10、外面环境温度过高也是导致爆炸的主要原因。
电池电路
上图参考此博客,设计的大概流程如下:
1,不插充电器时,有电池提供电压给系统,走通道标号3,给系统供电;
2,插入DC后,系统侦测到DC插入,把3的通道关闭,打开1给系统供电,同时有2给电池充电.
软件设置中,电池电压不低于3.5v后,才允许开机,在有插入充电器的情况下,电池电压不低于3.3v,才允许开机.
充电流程
如上图,是整个充电流程的示意图,我们以某平台为例进行说明此情况(各平台均有差异,仅供参考),分为4个步骤:
1).涓流充电
当电池电压低于3.05V时,系统不会开机,此时充电完全由硬件控制,PMU或外部充电ic控制对电池充电到电池电压3.05以上.
电池电压为0~1.1V时,芯片产生10mA电流激活电池(HW);
2).恒流充电
电池电压为1.1~2.05V时,充电电流70mA(HW);
电池电压为2.05~3.05V时,充电电流450mA(HW);
电池电压为3.05V以上时,软件设置的充电电流(SW);
3).恒压充电
电池电压充电到设置的截止电压CHGR_END_V<1:0>,进入恒压充电:此时电压保持不变,充电电流逐渐减小,充电电流降低到软件设置的截止电流时,停止充电(SW);
4).二次充电
充电结束后,如仍然连接充电器,当电池电压下降到软件设置的Recharge电压时,重启充电.
充电器识别
1,充电器插入检测
充电器插入检测以VCHG电压上升到3.5V以上为准,VCHG下降到3.3V以下充电器认为被拔出.
2,充电器类型检测
目前市面上的智能机使用的PMIC一般都具有检测USB充电协议规定的DCP, CDP和SDP进行识别,主要是通过DP电压来区分是大电流充电还是小电流充电,这样就可以将(DCP, CDP)和SDP进行区分,然后进行二次检测,将DCP和CDP再进行区分.这些一般都是针对标准充电器,非标准充电器一般都会保守按SDP配置充电电流.
电池在位检测
电池在位检测一般是通过检测测量电池电压的ADC来确定,一般如果检测电池不在位,会设置不允许充电.
电池温度检测
1,温度检测的目的
高温和低温情况下对电池充电是有一定安全隐患,需要在安全温区进行充电操作。电池性能及寿命受温度影响很大,需要在异常温区停止电池放电。
2,温度值读取方式
不同温度NTC的分压值不同,我们通过ADC测量NTC的分压值,然后通过分压值和温度的映射关系得出温度.
3,测量精度补偿
一般来说现在电池都是自带NTC的。温度ADC读值是参考GND的,但是NTC连接的是电池负极,由于硬件设计上存在FGU电阻(电池负极对地有20mohm),因此在有功耗或者充电的时候20mohm产生的压差会对温度产生影响。为了补偿20mohm对电压产生的影响会加入电压补偿算法,相应的算法需要根据实际情况确定.
过压保护
硬件提供VCHG过压保护中断确保VCHG电压不能过高,中断触发门限通过DTS进行配置,OVP配置范围是0~9.6V,过压后上层收到消息:POWER_SUPPLY_HEALTH_OVERVOLTAGE可以做相应提示。
充电器过压后停止充电,并将中断触发条件反转,当充电器电压下降回来后重新启动充电。
电量统计
电量统计采用库仑积分形式对使用或者充入电量进行计算,并通过电压模式在百分比开始点和结束点对电池老化造成的积分不准确进行纠正,这样既能保证充放电百分比绝大部分的线性度又可以保证充放电的安全性,我们称为混合电量统计模式,电流经过积分可以计算出使用到库仑量,与初始设置的库仑总量比较即可得到变化的百分比。在DTS配置中,我们还会配置一个电池电量与电池电压的映射表.