鋰電池充電電路原理

 

 

鋰離子電池的負(fù)極為石墨晶體，正極通常為二氧化鋰。充電時(shí)鋰離子由正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)而嵌入石墨層中。放電時(shí)，鋰離子從石墨晶體內(nèi)負(fù)極表面脫離移向正極。所以，在該電池充放電過(guò)程中鋰總是以鋰離子形態(tài)出現(xiàn)，而不是以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)。因而這種電池叫做鋰離子電池，簡(jiǎn)稱鋰電池。

 

鋰電池具有：體積小、容量大、重量輕、無(wú)污染、單節(jié)電壓高、自放電率低、電池循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較貴。鎳鎘電池因容量低，自放電嚴(yán)重，且對(duì)環(huán)境有污染，正逐步被淘汰。鎳氫電池具有較高的性能價(jià)格比，且不污染環(huán)境，但單體電壓只有1.2V，因而在使用范圍上受到限制。

 

 

1、具有更高的重量能量比、體積能量比；

 

2、電壓高，單節(jié)鋰電池電壓為3.6V，等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓；

 

3、自放電小可長(zhǎng)時(shí)間存放，這是該電池最突出的優(yōu)越性；

 

4、無(wú)記憶效應(yīng)。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應(yīng)，所以鋰電池充電前無(wú)需放電；

 

5、壽命長(zhǎng)。正常工作條件下，鋰電池充/放電循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于500次；

 

6、可以快速充電。鋰電池通常可以采用0.5～1倍容量的電流充電，使充電時(shí)間縮短至1～2小時(shí)；

 

7、可以隨意并聯(lián)使用；

 

8、由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是當(dāng)代最先進(jìn)的綠色電池；

 

9、成本高。與其它可充電池相比，鋰電池價(jià)格較貴。

 

 

鋰電池通常有兩種外型：圓柱型和長(zhǎng)方型。

 

電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細(xì)而滲透性很強(qiáng)的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負(fù)極間間隔而成。正極包括由鋰和二氧化鈷組成的鋰離子收集極及由鋁薄膜組成的電流收集極。負(fù)極由片狀碳材料組成的鋰離子收集極和銅薄膜組成的電流收集極組成。電池內(nèi)充有有機(jī)電解質(zhì)溶液。另外還裝有安全閥和PTC元件，以便電池在不正常狀態(tài)及輸出短路時(shí)保護(hù)電池不受損壞。

 

單節(jié)鋰電池的電壓為3.6V，容量也不可能無(wú)限大，因此，常常將單節(jié)鋰電池進(jìn)行串、并聯(lián)處理，以滿足不同場(chǎng)合的要求。 字串5

 

 

1、鋰電池的充電：根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)特性，最高充電終止電壓應(yīng)為4.2V，不能過(guò)充，否則會(huì)因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報(bào)廢。其充放電要求較高，可采用專用的恒流、恒壓充電器進(jìn)行充電。通常恒流充電至4.2V/節(jié)后轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)恒壓充電電流降至100mA以內(nèi)時(shí)，應(yīng)停止充電。

 

充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1350mAh的電池，其充電電流可控制在135～2025mA之間）。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時(shí)間約為2～3小時(shí)。

 

2、鋰電池的放電：因鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應(yīng)縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是說(shuō)鋰電池不能過(guò)放電。放電終止電壓通常為 3.0V/節(jié)，最低不能低于2.5V/節(jié)。電池放電時(shí)間長(zhǎng)短與電池容量、放電電流大小有關(guān)。電池放電時(shí)間（小時(shí)）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流 （mA）不應(yīng)超過(guò)電池容量的3倍。（如1000mAH電池，則放電電流應(yīng)嚴(yán)格控制在3A以內(nèi)）否則會(huì)使電池?fù)p壞。

 

目前市場(chǎng)上所售鋰電池組內(nèi)部均封有配套的充放電保護(hù)板。只要控制好外部的充放電電流即可。

 

 

兩節(jié)鋰電池的充放電保護(hù)電路如圖一所示。由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和專用保護(hù)集成塊S--8232組成，過(guò)充電控制管FET2和過(guò)放電控制管FET1串聯(lián)于電路，由保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，當(dāng)電池電壓上升至4.2V時(shí)，過(guò)充電保護(hù)管FET1截止，停止充電。為防止誤動(dòng)作，一般在外電路加有延時(shí)電容。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)下，電池電壓降至2.55V時(shí)，過(guò)放電控制管FET1截止，停止向負(fù)載供電。過(guò)電流保護(hù)是在當(dāng)負(fù)載上有較大電流流過(guò)時(shí)，控制FET1使其截止，停止向負(fù)載放電，目的是為了保護(hù)電池和場(chǎng)效應(yīng)管。過(guò)電流檢測(cè)是利用場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻作為檢測(cè)電阻，監(jiān)視它的電壓降，當(dāng)電壓降超過(guò)設(shè)定值時(shí)就停止放電。在電路中一般還加有延時(shí)電路，以區(qū)分浪涌電流和短路電流。該電路功能完善，性能可靠，但專業(yè)性強(qiáng)，且專用集成塊不易購(gòu)買(mǎi)，業(yè)余愛(ài)好者不易仿制。

 

 

 

現(xiàn)在有不少商家出售不帶充電板的單節(jié)鋰電池。其性能優(yōu)越，價(jià)格低廉，可用于自制產(chǎn)品及鋰電池組的維修代換，因而深受廣大電子愛(ài)好者喜愛(ài)。有興趣的讀者可參照?qǐng)D二制作一塊充電板。其原理是：采用恒定電壓給電池充電，確保不會(huì)過(guò)充。輸入直流電壓高于所充電池電壓3伏即可。R1、Q1、W1、TL431組成精密可調(diào)穩(wěn)壓電路，Q2、W2、R2構(gòu)成可調(diào)恒流電路，Q3、R3、R4、R5、LED為充電指示電路。隨著被充電池電壓的上升，充電電流將逐漸減小，待電池充滿后R4上的壓降將降低，從而使Q3截止， LED將熄滅，為保證電池能夠充足，請(qǐng)?jiān)谥甘緹粝绾罄^續(xù)充1—2小時(shí)。使用時(shí)請(qǐng)給Q2、Q3裝上合適的散熱器。本電路的優(yōu)點(diǎn)是：制作簡(jiǎn)單，元器件易購(gòu)，充電安全，顯示直觀，并且不會(huì)損壞電池．通過(guò)改變W1可以對(duì)多節(jié)串聯(lián)鋰電池充電，改變W２可以對(duì)充電電流進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)是：無(wú)過(guò)放電控制電路。圖三是該充電板的印制板圖（從元件面看的透視圖）。

 

 

 

1、 作電池組維修代換品

 

有許多電池組：如筆記本電腦上用的那種，經(jīng)維修發(fā)現(xiàn)，此電池組損壞時(shí)僅是個(gè)別電池有問(wèn)題?？梢赃x用合適的單節(jié)鋰電池進(jìn)行更換。

 

2、 制作高亮微型電筒

 

筆者曾用單節(jié)3.6V1.6AH鋰電池配合一個(gè)白色超高亮度發(fā)光管做成一只微型電筒，使用方便，小巧美觀。而且由于電池容量大，平均每晚使用半小時(shí)，至今已用兩個(gè)多月仍無(wú)需充電。電路如圖四所示。

 

3、代替3V電源

 

由于單節(jié)鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節(jié)鋰電池便可代替兩節(jié)普通電池，給收音機(jī)、隨身聽(tīng)、照相機(jī)等小家電產(chǎn)品供電，不僅重量輕，而且連續(xù)使用時(shí)間長(zhǎng)。

 

 

鋰電池需充足電后保存。在20℃下可儲(chǔ)存半年以上，可見(jiàn)鋰電池適宜在低溫下保存。曾有人建議將充電電池放入冰箱冷藏室內(nèi)保存，的確是個(gè)好注意。

 

 

鋰電池絕對(duì)不可解體、鉆孔、穿刺、鋸割、加壓、加熱，否則有可能造成嚴(yán)重后果。沒(méi)有充電保護(hù)板的鋰電池不可短路，不可供小孩玩耍。不能靠近易燃物品、化學(xué)物品。報(bào)廢的 鋰電池要妥善處理。 四、鋰電池的充放電要求；

 

1、鋰電池的充電：根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)特性，最高充電終止電壓應(yīng)為4.2V，不能過(guò)充，否則會(huì)因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報(bào)廢。其充放電要求較高，可采用專用的恒流、恒壓充電器進(jìn)行充電。通常恒流充電至4.2V/節(jié)后轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)恒壓充電電流降至100mA以內(nèi)時(shí)，應(yīng)停止充電。

 

充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1350mAh的電池，其充電電流可控制在135～2025mA之間）。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時(shí)間約為2～3小時(shí)。

 

2、鋰電池的放電：因鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應(yīng)縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是說(shuō)鋰電池不能過(guò)放電。放電終止電壓通常為 3.0V/節(jié)，最低不能低于2.5V/節(jié)。電池放電時(shí)間長(zhǎng)短與電池容量、放電電流大小有關(guān)。電池放電時(shí)間（小時(shí)）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流 （mA）不應(yīng)超過(guò)電池容量的3倍。（如1000mAH電池，則放電電流應(yīng)嚴(yán)格控制在3A以內(nèi)）否則會(huì)使電池?fù)p壞。

 

目前市場(chǎng)上所售鋰電池組內(nèi)部均封有配套的充放電保護(hù)板。只要控制好外部的充放電電流即可。

 

鋰電池充電電路設(shè)計(jì)：

 

1. 涓流充電階段。（在電池過(guò)渡放電，電壓偏低的狀態(tài)下）

 

3.0V以下。鋰電池內(nèi)部的介質(zhì)會(huì)發(fā)生一些物理變化，致使充電特性變壞，容量降低等。在這個(gè)階段，只能通過(guò)涓涓細(xì)流緩慢的對(duì)鋰電池充電，是鋰電 池內(nèi)部的電介質(zhì)慢慢的恢復(fù)到正常狀態(tài)。

 

2. 恒流充電階段。（電池從過(guò)放狀態(tài)恢復(fù)到了正常狀態(tài)）

 

IC外部的一個(gè)引腳外接一個(gè)電阻來(lái)決定。阻值大小則根據(jù)充電管理IC的datasheet上的公式來(lái)計(jì)算。

 

3．恒壓充電階段（已經(jīng)充滿85%以上，在慢慢的進(jìn)行補(bǔ)充）

 

在鋰電池的電容量達(dá)到了85％時(shí)候（約值），必須再 次進(jìn)入慢充階段。使電壓慢慢上升。最終達(dá)到鋰電池的最高電壓4.2V。

 

BAT的引腳輸出，這個(gè)BAT是連接到鋰電池端的。同時(shí)這個(gè)引腳也 是鋰電池電壓檢測(cè)引腳。鋰電池充電管理IC通過(guò)檢測(cè)這個(gè)引腳來(lái)判斷電池的各個(gè) 狀態(tài)。

 

 

A210電源供電圖

 

5V通過(guò)D2送到開(kāi)關(guān)SW2， 同時(shí)通過(guò)充電管理IC MCP73831來(lái) 送到鋰電池。SW2的左邊點(diǎn)電壓為5V－0.7V=4.3V。由于鋰電池 的電壓不管在充滿電或者非充滿狀態(tài)的時(shí)候，都低于SW2左邊點(diǎn)電壓4.3V。所以D1是 截止的。 充電管理IC 正常對(duì)鋰電池充電。

 

D2和D1， 后級(jí)LDO RT9193直接接在BAT引腳輸出 上，則會(huì)是充電IC在通電的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生誤判。會(huì)出現(xiàn)接上5V的外接電源，但是鋰電池不會(huì)進(jìn)行充電，充電管理IC的LED燈指示也不對(duì)。后級(jí)負(fù)載LDO也不會(huì)得到正常的輸入電壓（輸入電壓很?。?。在這種情況下，只要將充電管理IC的電壓輸入腳直接對(duì)BAT引 腳短路連接一下，所有狀態(tài)又正常，充電能進(jìn)行，后級(jí)負(fù)載LDO工作也正常。

 

IC在接上電的瞬間，要檢測(cè)BAT的狀態(tài)，將LDO的輸入引腳也連接到了BAT和 鋰電池正極連接的支路中，會(huì)影響到BAT引腳的工作狀態(tài)，致使充電管理IC進(jìn)入了涓流充電階段。 將BAT引腳和充電管理IC的電壓輸入短路連接一下，使BAT引 腳的電壓強(qiáng)制性的升高，使充電管理IC判斷為鋰電池進(jìn)入了恒流充電階段，所以 輸出大電流。能夠驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載LDO等。

 

D1和D2要選用壓降小的二極管。如鍺二極管，肖特基二極管，MOSFET開(kāi)關(guān)管。在需要電池切換的設(shè)計(jì)中，具有10mV正向壓降、沒(méi)有反向漏電流的二極管是設(shè)計(jì)人員的一個(gè)“奢求”。但到目前為止，肖特基二極管還是最好 的選擇，它的正向壓降介于300mV到500mV之間。但對(duì)某些電池切換電路，即使選擇肖特基二極管也不能滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于一個(gè)高效電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，節(jié) 省下來(lái)的那部分能量可能會(huì)被二極管的正向壓降完全浪費(fèi)掉。為了在低電壓系統(tǒng)中有效保存電池能量，應(yīng)該選擇功率MOSFET開(kāi)關(guān)替代二極管。采用SOT封 裝、導(dǎo)通電阻只有幾十毫歐的MOSFET，在便攜產(chǎn)品的電流級(jí)別下可以忽略其 導(dǎo)通壓降。

 

MOSFET來(lái)切換電源，最好對(duì)二極管導(dǎo)通壓降、MOSFET導(dǎo)通 壓降和電池電壓進(jìn)行比較，把壓降與電池電壓的比值看作效率損失。例如，把一個(gè)正向壓降為350mV的 肖特基二極管用來(lái)切換Li+電池（標(biāo)稱值3.6V），損失則為9.7%，如果 用來(lái)切換兩節(jié)AA電池（標(biāo)稱值2.7V），損失為13%。在低成本設(shè)計(jì)中，這 些損失可能還可以接受。但是，當(dāng)使用了高效率的DC-DC時(shí)，就要權(quán)衡DC-DC的成本和把二極管升級(jí)為MOSFET帶來(lái)的效率改善的成本。

 

MOSFET，還要考慮到產(chǎn)品上所用電池的放電特性。鋰電池的放電特性如下：

 

 

鋰電池在常溫狀態(tài)下，消耗了90%的電量的時(shí)候，電壓還是會(huì)保持 在3.5V左右，選 擇一個(gè)好點(diǎn)的LDO器件。 那么在3.5V的時(shí)候，輸出電壓還是會(huì)穩(wěn)定在3.3V.

 

LDO RT9193來(lái)看，負(fù)載電阻在50歐姆，負(fù) 載電流60mA的時(shí)候，輸入電壓和輸出電壓關(guān)系如下表所示：

 

2.8V2.65V

 

3.4v3.3V

 

4.0V3.0V

 

即使是鋰電池消耗了90%的電量的時(shí)候， LDO的輸出端依然可以穩(wěn)定輸出3.3V.從圖一 A210的供電電路分析，加上硅二極管D1以 后， LDO輸入電壓=3.5---0.7V=2.8V. 這樣只要模塊燒錄可以在2.4V左 右工作的程序，硅二極管也可以在此電路中使用了。

 

從電路性能上來(lái)考慮， 使用鍺二極管或者肖特基二極管是最好的 選擇。

 

具體采用什么電路設(shè)計(jì)，還需要根據(jù)自己的產(chǎn)品其他電路工作電壓范圍和特性， 成本等幾方面考慮了。

 

 

鋰離子電池充電要求首先恒流充電，即電流一定，而電池電壓隨著充電過(guò)程逐步升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到4.2V（4.1V），改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過(guò)程的繼續(xù)逐步減小，當(dāng)減小到0.01C時(shí)，認(rèn)為充電終止。（C是以電池標(biāo)稱容量對(duì)照電流的一種表示方法，如電池是 1000mAh的容量，1C就是充電電流1000mA，注意是mA而不是Ah，0.01C就是10mA。）為什么認(rèn)為0.01C為充電結(jié)束：這是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T18287-2000所規(guī)定的，也是討論得出的。以前大家普遍以20mA為結(jié)束，郵電部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) YD/T998-1999也是這樣規(guī)定的，即不管電池容量多大，停止電流都是20mA。國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.01C有助于充電更飽滿，對(duì)廠家一方通過(guò)鑒定有利。另外，國(guó)標(biāo)規(guī)定了充電時(shí)間不超過(guò)8小時(shí)，就是說(shuō)即使還沒(méi)有達(dá)到0.01C，8小時(shí)到了，也認(rèn)為充電結(jié)束。（質(zhì)量沒(méi)問(wèn)題的電池，都應(yīng)在8小時(shí)內(nèi)達(dá)到 0.01C，質(zhì)量不好的電池，等下去也無(wú)意義）鋰離子或鋰聚合物電池組的最佳充電速率為1C，這意味著一個(gè)1000 mAh的電池組要以1000mA的電流進(jìn)行快速充電，以這種速率充電可以實(shí)現(xiàn)最短的充電時(shí)間，而且不會(huì)降低電池組的性能及縮短使用壽命。對(duì)于容量不斷增加的電池組，欲達(dá)到這種滿意的充電速率，提高充電電流值是不可避免的。

 

　

 

 

鋰離子電池標(biāo)稱電壓3.7V（3.6V），充電截止電壓4.2V（4.1V，根據(jù)電芯的廠牌有不同的設(shè)計(jì)）怎樣區(qū)別電池是4.1V還是 4.2V：消費(fèi)者是無(wú)法區(qū)分的，這要看電芯生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)。有些牌子的電芯是4.1V和4.2V通用的，比如A&TB（東芝），國(guó)內(nèi)廠家基本是4.2V。把 4.1V的電芯充電到4.2V會(huì)怎么樣：會(huì)使電池容量提高，感覺(jué)很好用，待機(jī)時(shí)間增加，但會(huì)減短電池的使用壽命。比如原來(lái)500次，減少到300次。同樣道理，把4.2V的電芯過(guò)充，也會(huì)減短壽命。鋰離子電芯是很嬌嫩的。既然電池內(nèi)有保護(hù)板，我們是否就可以放心了呢：不是，因?yàn)楸Ｗo(hù)板的截止參數(shù)是 4.35V（這還是好的，差的要4.4到4.5V），保護(hù)板是應(yīng)付萬(wàn)一的，假如每次都過(guò)充，電池也會(huì)很快衰減的。

 

 

蘋(píng)果iPhone的電池規(guī)格是標(biāo)稱電壓3.7V，充電截止電壓4.2V，電池容量1400mAh， 按照我們上面的所講的，最佳充電速率1C，需要達(dá)到1400mA的電流開(kāi)始充電，電壓為3.7V，在電壓達(dá)到4.2V后，開(kāi)始進(jìn)行恒壓充電，直到達(dá)到 0.01C也就是14mA停止充電。

 

 

usb接口的電流是500mA，電壓是＋5V，如果在充電過(guò)程中打開(kāi)HWinfo，你也可以看到External Power一項(xiàng)是500mA充電器是為iPhone設(shè)計(jì)的，電壓我想大家都明白那個(gè)白色的，可以插進(jìn)電源插座的小方塊是干什么的吧，就不用我再說(shuō)了吧？使用充電器充電是，打開(kāi)HWinfo可以看到 External Power一項(xiàng)是1000mA綜上所述，當(dāng)你使用usb來(lái)充電的時(shí)候，電壓是＋5V，而電流只有500mA，我們?cè)趨⒖?、2問(wèn)題的答案就知道這種辦法會(huì)增加電池容量，用起來(lái)很爽，但是會(huì)減短電池使用壽命。當(dāng)使用充電器來(lái)充電時(shí)，大家可能會(huì)問(wèn)，你不是說(shuō)最佳速率是1C嗎？那iPhone應(yīng)該是1400mA 的充電電流才對(duì)啊，沒(méi)錯(cuò)，可是國(guó)家還有一個(gè)規(guī)定，國(guó)標(biāo)規(guī)定的低倍率充電是0.2C（仲裁充電制式），還以iPhone的1400mAh 容量的電池為例，就是280mA，理論上越小對(duì)電池越有好處。但你總不能為了一塊電池充電等3天吧。（容量mAh＝電流mA×時(shí)間h）所以蘋(píng)果選擇了 0.7C，大部分的電池在0.5C--0.8C之間5你們可以選擇了！很明顯有人使用usb充電，感覺(jué)時(shí)間較長(zhǎng)，但是那是以犧牲電池壽命作為代價(jià)的。

 

所以。使用哪一種方法你們自己選擇吧！

【推薦閱讀】