还需要哪些特性来确保对电池进行安全及精确的充电？电池充电的解决方案分析

电池充电解决方案事实上，所有3G手机都采用锂离子电池作为主电源。由于散热及空间的限制，设计师必须仔细考虑选用何种类型的电池充电器，以及还需要哪些特性来确保对电池进行安全及精确的充电。

线性锂离子电池充电器的一个明显趋势是封装尺寸继续减小。但值得关注的是在充电周期（尤其在高电流阶段）冷却IC所需的板空间或通风条件。充电器的功耗会使IC的接合部温度上升。加上环境温度，它会达到足够高的水平，使IC过热并降低电路可靠性。此外，如果过热，许多充电器会停止充电周期，只有当接合部温度下降后才恢复工作。如果这种高温持续存在，那么 充电器“停止和开始”的反复循环也将继续发生，从而延长充电时间。为减少这些风险，用户只能选择减小充电电流来延长充电时间或增大板面积来散热。因此，由于增加了PCB散热面积及热保护材料，整个系统成本也将上升。

对此问题有两种解决方案。首先，需要一种智能的线性锂离子电池充电器，它不必为担心散热而牺牲PCB面积，并采用一种小型的热增强封装，允许它监视自己的接合部温度以防止过热。如果达到预设的温度阈值，充电器能自动减少充电电流以限制功耗，从而使芯片温度保持在安全水平。第二种解决方案是使用一种即使充电电流很高时也几乎不发热的充电器。这要求使用脉冲充电器，它是一种完全不同于线性充电器的技术。脉冲充电器依靠经过良好调节且电流受限的墙上适配器来充电。
方案一 ： LTC4059A线性电池充电器LTC4059A是一款用于单节锂离子电池的线性充电器，它无需使用三个分立功率器件，可快速充电而不用担心系统过热。监视器负责报告充电电流值，并指示充电器是何时与输入电源连接的。它采用尽可能小的封装但没有牺牲散热性能。整个方案仅需两个分立器件（输入电容器和一个充电电流编程电阻），占位面积为2.5mm×2.7mm。 LTC4059A采用2mm×2mm DFN封装，占位面积只有SOT-23封装的一半，并能提供大约60℃/W的低热阻，以提高散热效率。通过适当的PCB布局及散热设计，LTC4059A可以在输入电压为5V的情况下以最高900mA的电流对单节锂离子电池安全充电。此外，设计时无需考虑最坏情况下的功耗，因为LTC4059A采用了专利的热管理技术，可以在高功率条件（如环境温度过高）下自动减小充电电流。

方案二 ：带过流保护功能的LTC4052脉冲充电器LTC4052是一款全集成的脉冲充电器，用于单节4.2V锂离子/锂聚合物电池。当输入电压为5.25V并以0.8A电流进行快速充电时，LTC4052的功耗大约为280mW，而线性充电器解决方案的功耗则高达1.8W。与采用电感来获得高效率和低散热的开关充电器不同，LTC4052采用无电感设计。利用LTC4052设计的700mA至2A锂离子/锂聚合物电池充电器电路仅占70mm2 的面积 ，且高度低于1.7mm。通过将功耗减至最低水平，LTC4052可放宽终端设备对热设计的要求，允许采用更小的封装、更小的散热气流以及更小的PCB面积，而且能消除热点，从而无需使用散热片或风扇。

LTC4052需要一个电流受限的墙上适配器，以控制充电电流的大小。它还需配备过流保护电路，以便在意外使用较高电流或墙上适配器发生故障时能提供保护。LTC4052是一款全集成的脉冲充电器，无需使用外部MOSFET或阻流二极管 。这款独立的充电器IC具有C/10检测、充电状态指示、充电结束定时器、墙上适配器检测及过流保护等功能。LTC4052的输入电源可以是4.5V到12V，并具有1%的 飘移电压精度。

目前国内锂锰电池大部分的生产设备还停留在手工或半机械化程度，对于扣式电池来说，这样的生产效率十分低下，研制具有自主知识产权的锂锰扣式电池自动组装生产线是非常必要的，也是我国工控自动化的一大进步。

1  锂锰扣式电池生产线的组成及其功能

本锂锰扣式电池生产线是用于组装CR2032电池的，根据锂锰扣式电池的生产工艺，其主要任务是：在带有集流网、负极片的负极壳体内，依次加入隔膜和饱浸电解液的正极片，并补充正极片中挥发的电解液，并在保证电解液完全渗透的前提下，加盖正极壳体并封口。为此生产线主要由剪切隔膜纸工序、注电解液及上正极片工序、正极壳体装配工序以及封口工序等4个工序组成。

2  PLC控制系统的硬件设计由于PLC具有控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等优点，能适应工业现场的恶劣环境，所以采用PLC作为生产线的主控制系统，能满足生产的需要。根据锂锰扣式电池生产线的具体情况，选用了日本Omron公司的可编程控制器和扩展模块作为生产线的核心控制部分；采用PWS系列触摸屏（台达电子），触摸屏和PLC之间通过RS2232C进行通讯。触摸屏用于按键输入、参数设置、监控画面显示以及故障原因显示等功能。

在PLC控制系统中，主要的检测元件有对射光电开关、漫反射光电开关、接近开关、磁性开关、压力传感器、行程开关等；执行部件主要有电机、气缸、振动料斗、海霸泵、冲床、声光报警器以及状态显示灯等。在这个系统中，关键技术环节是料斗的控制，它是影响电池表面质量的一个关键因素；各道工序之间的协调一致，也是保证生产线正常工作的关键。

2.1振动料斗的控制：负极壳、正极片和正极盖均采用振动料斗进行自动上料。若正极片和正极盖在料斗中反复运动，则会损坏正极片和将正极盖划伤，因此在振动料斗的料道上增加了料满检测传感器，一旦料满则停止振动料斗；当料道上的料不满时，振动料斗开始振动。

2.2 各道工序之间的协调：由于电池组件的尺寸非常小，给生产线的上料和输送带来了很大困难，再加上某些工序可能会产生次品，中间还会有次品剔除的情况，电池组装生产线的4个工序之间很难做到完全同步。在生产线的输送线上安装了检测传感器，当输送线上的料较少（少于传感器的安装位置）时，下一个工序的转盘就自动停止工作；当前面的料输送过来，超过了传感器的安装位置时，转盘自动开始转动，恢复工作。这样就可以保证某道工序的连续运行。在输送线上还装有堵料检测传感器，一旦发生堵料现象，将进行报警并自动停车。

3  PLC控制系统的软件设计

该生产线中执行元件和状态检测元件的种类和数量较多，是一个比较复杂的控制系统，我们采用模块化的思路，使用梯形图来设计控制系统的软件，将整个系统的控制程序根据所处的位置分成4个模块，即剪切隔膜纸模块、注电解液及上正极片模块、正极壳体装配模块以及封口模块，前3个模块以3个转盘为主线，协调彼此的动作，而第4个模块以封口压力机作为主线，来协调彼此的动作。这样程序的条理性增强，可读性好，修改程序方便。

在系统中充分利用触摸屏的优势，除了完成按键的输入功能以外，还可以显示各工序和整条生产线的监控画面；若工作过程中出现故障，除了进行声光报警外，还在触摸屏上显示故障的种类、原因以及解决办法，方便了操作；在触摸屏上还显示生产的产品数量。

为了提高锂锰扣式电池生产线的可靠性，保证设备和人员的安全，除了选用优质元件之外，还采取了许多有效保护措施，例如，为了防止由于气压降低或气路出现故障而使转动盘损坏气缸，设置了压力检测传感器，一旦压力低于给定值，则自动停止转盘并报警；为了防止封口冲床在工作时出现人身事故，在冲床上安装了光电检测传感器，一旦人手接近冲头，则设备自动停机并发出报警信息；为了防止由于调整失误而损坏转盘上的气缸，特地增加了机动互锁装置，从而有效地保护机械和气动装置；此外控制软件中还在多处使用了冗余控制，从而保证了设备的正常安全运行。

4  结语

为了提高系统的可维护性，在触摸屏和设备上设置了许多状态信息的指示和故障显示以及声光报警。在PLC系统内部设置了故障诊断功能，当出现故障时就自动停车，实现自我保护。为了便于用户的操作，缩短维修时间，在PLC控制软件中，巧妙地运用了HR型保持继电器和计数器的保持性，使得生产线在任意时刻停机，在排除故障后，不必手动调整，就可继续正常工作。经实际使用表明：该控制系统具有结构简单、成本低、可靠性高、使用灵活方便、便于维护等优点，在实际生产使用中效果很好。