电源工程师设计全攻略(一)--充电电路设计

　　一、锂电池充电原理

　　锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电(低压预充)、恒流充电、恒压充电以及充电终止。

　　锂电池充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电器的操作，其中包括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。

　　锂电池的充电方式是限压恒流，都是由IC芯 片控制的，典型的充电方式是：先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1/10，电压升到3V后，进入标准充电 过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为 4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。下图为充电曲线

　　图1

　　图2

　　阶段1：涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA)，

　　阶段2：恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高，一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V.

　　阶段3：恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01C时，认为充电终止。(C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA。)

　　阶段4：充电终止——

　　有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

　　上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口(通常为0℃至45℃)，那么充电会暂停。

　　二、锂电池与镍镉电池

　　1、锂离子电池及充电器

　　锂电池轻薄短小且容量大，其阳极为石墨晶体，阴极通常为二氧化钴锂，在充放电反应中，锂永远以离子形态出现，所以这种电池称为锂离子电池。锂离子电池与镍氢镍镉电池相比有以下优点：1、单体电池工作电压为3.6V，是镍镉电池的三倍;2、在容量相同的情况下，体积可减小30%，重量可降低50%;3、寿命可达1200次以上;4、允许工作温度范围(-20℃~+60℃)很宽，可大电流快速充电。

　　单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.1V±50mV，若超过4.5V，可造成永久性破坏。其放电电压不得低于2.2V，否则也会造成永久性破坏。最简单的锂离子电池充电器电路图如上图所示。该充电器中，采用了锂离子电池充电控制器LM3420，可对两只串联锂离子电池组充电。当电池组电压低于8.4V时，LM3420输出端(OUT)无输出电流，晶体三极管VT2截止，因此，电压可调稳压器LM317输出恒定电流，其值为1.25V/R。LM317额定输出电流为1.5A，若需要更大的充电电流，可选用LM350或LM338。充电过程中，电池电压不断上升。电池电压被LM3420的输入脚(NI)检测，当电池电压升到8.4V时，LM3420开始输出电流，使VT2开始控制LM317的输出电压，充电器转入恒压充电过程，电池电压稳定在8.4V，充电器转入恒压充电过程，电池电压稳定在8.4V，此后充电电流开始减小，充足电后，充电电流下降到涓流充电。当输入电压中断后，晶体三极管VT1截止，电池组与LM3420断开。二极管VD可避免电池通过LM317放电。

　　2、全自动镉镍电池充电器

　　镍镉电池正极板上的活性物质由 氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的 扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板 隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。

　　本充电器电路采用折点电压法对镉镍电池进行充电。当电池充足电时，充电电流将自动减至8mA，同时用发光管指示充电结束，并给电池提供涓细电流，维持电量。因而不会产生过充及欠充现象，从而延长了镍镉电池的使用寿命，如图。

　　图中，VD3为充电指示，VD4为充电结束指示。充电部分采用三端稳压块μA7806组成恒流源充电电路。充电电流I=(6V/R1)+IVD6=(6V/R1)+8mA。适当选取R1可以得到合适的充电电流。

　　控制部分采用单向晶闸管VS。当电池充足时，电池两端的电压上升至一固定值(单只1.4~1.55V)，导致晶闸管VS导通使VD6发光，且VT2随之饱和导通导致VT1五偏置电流而截止。这是电池的充电电流只剩下流过VD5的三端稳压块的静态电流，月8mA左右，因而电池不会被过充。

　　调试：用充足的镉镍电池代替代充电池，仔细调节RP使VD6刚好点亮，测充电电流为8mA即可。