鋰電池充電電路原理

鋰電池充電電路原理鋰電池充電電路設(shè)計(jì)鋰電池充電電路原理一、 鋰電池與鎳鎘、鎳氫可充電池：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。二、 鋰電池的特點(diǎn)：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?？梢圆捎?.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。三、 鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：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鉆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)）二電池容量/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。五、鋰電池的保護(hù)電路：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，業(yè)余愛好者不易仿制。六、簡(jiǎn)易充電電路：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好者喜愛。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）。4「.歸WLZ口TL43!4「.歸WLZ口TL43!正極mi*鉀電洲七、 單節(jié)鋰電池的應(yīng)用舉例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、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)。八、 鋰電池的保存：鋰電池需充足電后保存。在20°C下可儲(chǔ)存半年以上，可見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。九、 使用注意事項(xiàng)：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)）二電池容量/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)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送到開關(guān)SW2,同時(shí)通過(guò)充電管理ICMCP73831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)LDORT9193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?。Ｔ谶@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。如錯(cuò)二極管，肖特基二極管，MOSFET開關(guān)管。在需要電池切換的設(shè)計(jì)中，具有10mV正向壓降、沒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：亡也臼chd：rAcl4-ri3.|it|.a'*V■rliftTfrnp,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.LDORT9193來(lái)看，負(fù)載電阻在50歐姆，負(fù)載電流60mA的時(shí)候，輸