電源工程師設計全攻略（三）--充電電路設計

　　一、鋰電池充電原理

　　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，要先進行預充電，充電電流為設定電流的1/10，電壓升到3V后，進入標準充電 過程。標準充電過程為：以設定電流進行恒流充電，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，當電流下降至設定充電電流的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行預充(恢復性充電)。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——當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進行恒流充電。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)電池設定的此電壓為3.0-4.2V.

　　階段3：恒壓充電—— 當電池電壓上升到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，當減小到0.01C時，認為充電終止。(C是以電池標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，在充放電反應中，鋰永遠以離子形態(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，石墨不參加化學反應，其主要作用是增強導電性。負極板上的活性物質(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 擴散性，防止結(jié)塊，并增加極板的容量。活性物質(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負極板。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行充電。當電池充足電時，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)，導致晶閘管VS導通使VD6發(fā)光，且VT2隨之飽和導通導致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，仔細調(diào)節(jié)RP使VD6剛好點亮，測充電電流為8mA即可。