電源工程師設(shè)計全攻略(一)--充電電路設(shè)計
一、鋰電池充電原理
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/256202.htm鋰離子電池的充電過程可以分為四個階段:涓流充電(低壓預(yù)充)、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。
鋰電池充電器的基本要求是特定的充電電流和充電電壓,從而保證電池安全充電。增加其它充電輔助功能是為了改善電池壽命,簡化充電器的操作,其中包括給過放電的電池使用涓流充電、電池電壓檢測、輸入電流限制、充電完成后關(guān)斷充電器、電池部分放電后自動啟動充電等。
鋰電池的充電方式是限壓恒流,都是由IC芯 片控制的,典型的充電方式是:先檢測待充電電池的電壓,如果電壓低于3V,要先進(jìn)行預(yù)充電,充電電流為設(shè)定電流的1/10,電壓升到3V后,進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電 過程。標(biāo)準(zhǔn)充電過程為:以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電,電池電壓升到4.20V時,改為恒壓充電,保持充電電壓為 4.20V。此時,充電電流逐漸下降,當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時,充電結(jié)束。下圖為充電曲線
圖1
圖2
階段1:涓流充電——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電,涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c(以恒定充電電流為1A舉例,則涓流充電電流為100mA),
階段2:恒流充電——當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時,提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高,一般單節(jié)電池設(shè)定的此電壓為3.0-4.2V.
階段3:恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時,恒流充電結(jié)束,開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度,隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少,當(dāng)減小到0.01C時,認(rèn)為充電終止。(C是以電池標(biāo)稱容量對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。)
階段4:充電終止——
有兩種典型的充電終止方法:采用最小充電電流判斷或采用定時器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流,并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時,持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。
上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口(通常為0℃至45℃),那么充電會暫停。
二、鋰電池與鎳鎘電池
1、鋰離子電池及充電器
鋰電池輕薄短小且容量大,其陽極為石墨晶體,陰極通常為二氧化鈷鋰,在充放電反應(yīng)中,鋰永遠(yuǎn)以離子形態(tài)出現(xiàn),所以這種電池稱為鋰離子電池。鋰離子電池與鎳氫鎳鎘電池相比有以下優(yōu)點:1、單體電池工作電壓為3.6V,是鎳鎘電池的三倍;2、在容量相同的情況下,體積可減小30%,重量可降低50%;3、壽命可達(dá)1200次以上;4、允許工作溫度范圍(-20℃~+60℃)很寬,可大電流快速充電。
單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格保持在4.1V±50mV,若超過4.5V,可造成永久性破壞。其放電電壓不得低于2.2V,否則也會造成永久性破壞。最簡單的鋰離子電池充電器電路圖如上圖所示。該充電器中,采用了鋰離子電池充電控制器LM3420,可對兩只串聯(lián)鋰離子電池組充電。當(dāng)電池組電壓低于8.4V時,LM3420輸出端(OUT)無輸出電流,晶體三極管VT2截止,因此,電壓可調(diào)穩(wěn)壓器LM317輸出恒定電流,其值為1.25V/R。LM317額定輸出電流為1.5A,若需要更大的充電電流,可選用LM350或LM338。充電過程中,電池電壓不斷上升。電池電壓被LM3420的輸入腳(NI)檢測,當(dāng)電池電壓升到8.4V時,LM3420開始輸出電流,使VT2開始控制LM317的輸出電壓,充電器轉(zhuǎn)入恒壓充電過程,電池電壓穩(wěn)定在8.4V,充電器轉(zhuǎn)入恒壓充電過程,電池電壓穩(wěn)定在8.4V,此后充電電流開始減小,充足電后,充電電流下降到涓流充電。當(dāng)輸入電壓中斷后,晶體三極管VT1截止,電池組與LM3420斷開。二極管VD可避免電池通過LM317放電。
2、全自動鎘鎳電池充電器
鎳鎘電池正極板上的活性物質(zhì)由 氧化鎳粉和石墨粉組成,石墨不參加化學(xué)反應(yīng),其主要作用是增強(qiáng)導(dǎo)電性。負(fù)極板上的活性物質(zhì)由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成,氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的 擴(kuò)散性,防止結(jié)塊,并增加極板的容量?;钚晕镔|(zhì)分別包在穿孔鋼帶中,加壓成型后即成為電池的正負(fù)極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板 隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。
本充電器電路采用折點電壓法對鎘鎳電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池充足電時,充電電流將自動減至8mA,同時用發(fā)光管指示充電結(jié)束,并給電池提供涓細(xì)電流,維持電量。因而不會產(chǎn)生過充及欠充現(xiàn)象,從而延長了鎳鎘電池的使用壽命,如圖。
圖中,VD3為充電指示,VD4為充電結(jié)束指示。充電部分采用三端穩(wěn)壓塊μA7806組成恒流源充電電路。充電電流I=(6V/R1)+IVD6=(6V/R1)+8mA。適當(dāng)選取R1可以得到合適的充電電流。
控制部分采用單向晶閘管VS。當(dāng)電池充足時,電池兩端的電壓上升至一固定值(單只1.4~1.55V),導(dǎo)致晶閘管VS導(dǎo)通使VD6發(fā)光,且VT2隨之飽和導(dǎo)通導(dǎo)致VT1五偏置電流而截止。這是電池的充電電流只剩下流過VD5的三端穩(wěn)壓塊的靜態(tài)電流,月8mA左右,因而電池不會被過充。
調(diào)試:用充足的鎘鎳電池代替代充電池,仔細(xì)調(diào)節(jié)RP使VD6剛好點亮,測充電電流為8mA即可。
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