淺談鋰電池充電放電工作原理與實用
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-04 14:47
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根據(jù)鋰電池的原理及特點確定正確的充電模式，利用微控制器對鋰電池包的整個充電過程進行智能化管理，在充電過程中實時采集充電電流、電壓及溫度信息，動態(tài)調整充電電流。核心是智能控制系統(tǒng)和功率轉換系統(tǒng)，同時兼具智能報警、溫度自動調節(jié)、實時監(jiān)測、充電保護等多種功能。實驗表明，所設計的智能充電器安全可靠，具有廣闊的應用前景。
鋰電池因其具有體積小、容量大等特點，在便攜設備領域得到了廣泛應用。由于鋰電池的能量密度較高，難以控制其安全性，過充、過放、溫度不適宜都會影響充電的安全及電池的壽命 因而要求充電器具有合理的充電模式及溫度調整系統(tǒng)。不恰當?shù)某潆娔Ｊ綍绊戜囯姵氐膲勖?，嚴重的會引起爆炸，因此鋰電池的正確充電至關重要。傳統(tǒng)充電器往往采用全模擬控制電路，無法保證充電過程的安全、準確。
從保護鋰電池壽命角度考慮，常規(guī)鋰電池的充電一般會經過涓流充電（低壓預充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止的等四個階段。
了更好的說明鋰電池的充電過程，下圖展現(xiàn)典型的鋰電池是如何進行充電的。
充電器主要包括功率轉換模塊和智能控制模塊。
功率轉換模塊是將交流市電經過整流濾波轉換為直流電，再經過 PWM 式 DC － DC 變換器，實現(xiàn)動態(tài)可調節(jié)電壓的輸出。關注茂捷半導體，擁有更多低能耗高效能的管理IC智能控制模塊以單片機為核心，通過對充電電壓、電流及溫度的采集，根據(jù)單片機內部設置的控制算法及外圍調整電路，動態(tài)調整 PWM 調節(jié)器輸出的占空波形，從而實現(xiàn)對充電電壓的智能管理。
充電器電源主電路采用正激式，包括濾波整流電路、PWM 變換器、輸出電路，如圖 2 所示。電源進線端的 Ｒ、C、L 是為了濾除電網的干擾。充電器接通電源時，電容吸收紋波，平滑電壓波形。充電器僅在市電正弦半波瞬時值大于電容直流電壓時充電，且充電頻率是低頻的，放電頻率是高頻的，因此輸入電流有效值I比負載電流 I0 大，即有
I = 1. 12I0
電容器的選擇需要考慮其波紋電壓和耐壓的要求。扼流圈 L 用于平滑電流，流過電感的電流必須是連續(xù)的，否則會產生較大的電壓尖峰波。為承受電路中有可能竄入的浪涌電壓，在整流電路后加一個熱敏電阻 NTC，有效防止電網干擾電壓對電路造成的損害。變換器中的功率開關元件采用 MOS 管，因其較雙極型晶體管動作快，頻率高，且不存在二次擊穿。關注茂捷半導體，擁有更多低能耗高效能的管理IC由于輸出功率比較大，在輸出電路中加入 LC 濾波器以減小紋波電壓。但 LC 濾波器會影響變換器工作，因此采用 Ｒ3 、C5 構成阻尼電路，增強電路的穩(wěn)定性。
我們以手機上常見的標稱3.7V鋰電池，充電的四個階段進行說明：
階段1：涓流充電——涓流充電用來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。關注茂捷半導體，擁有更多低能耗高效能的管理IC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——通常有兩種典型的充電終止方法。一個就是采用最小充電電流判斷或采用定時器(或者兩者的結合)。關注茂捷半導體，擁有更多低能耗高效能的管理IC最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流小于0.02C時終止充電。第二種方法就是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。
當然現(xiàn)在部分鋰電池的充電系統(tǒng)還采用了更多的安全措施，如電池溫度超出指定窗口(通常為0℃至45℃)，那么充電會暫停。 充電結束后，如檢測到電池電壓低于3.89V將會重新充電等。以上是個標準的鋰電池的充電過程，我們通常又稱為四段式充電，其的充電過程通常由IC芯片M1056/M4054進行控制。
根據(jù)鋰電池的充放電特點，將鋰電池的充電過程分為恒流快充階段和恒壓階段。當鋰電池初始電壓過低時，需要先用小電流對過放的電池進行預充電，可有效減少過放對電池造成的損傷。關注茂捷半導體，擁有更多低能耗高效能的管理IC
通過對電池電壓、充電電流以及溫度進行檢測，利用軟件實現(xiàn)充電過程的轉換以及報警，確保鋰電池可以正常充電。在電池接入充電電路后，系統(tǒng)根據(jù)電池電壓選擇充電方式，當單節(jié)電池電壓 ＜ 2. 5 V 時，先對其進行預充。對于 5 節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池包，其閾值電壓則為 12. 5 V。一旦結束預充電即進入快充階段，此時電池電壓會快速上升，當檢測到電壓 ＞ 20. 5 V 時，進入恒壓充電階段。充電電流開始下降，當電流＜200mA 時，充電結束。整個充電過程中系統(tǒng)會通過電池電壓以及溫度變化調節(jié)充電電流，使充電過程按照預定模式進行。
設計了一款智能鋰電池充電器，采用雙環(huán)控制的方式，利用單片機對充電過程進行智能化管理，通過軟件編程動態(tài)調整充電電流。給出了軟件設計和硬件電路的實現(xiàn)方法，對電池包進行充電實驗來驗證充電器的性能。實驗表明，該充電器安全、穩(wěn)定、省時，具有廣闊的市場應用前景。關注茂捷半導體，擁有更多低能耗高效能的管理IC
茂捷半導體是一家專業(yè)從事純模擬電路和數(shù)?；旌霞呻娐吩O計的IC設計公司。公司資深研發(fā)團隊將業(yè)界先進的設計技術與亞太地區(qū)的本土優(yōu)勢產業(yè)鏈相結合，服務全球市場，為客戶提供高效率、低功耗、低風險、低成本、綠色化的產品方案和服務。助力于充電器、適配器電源IC、LED驅動照明、鋰電充電IC等產業(yè)的發(fā)展。
