James Bryant

【转载】锂电池充电原理及合适充电电压电流的选择

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【导读】本文从锂电池的充电电路原理出发,在深刻了解锂电池原理的基础上介绍充电池充电电路的设计,进而详细解析如何选择合适的充电电压和充电电流,希望能够让大家深入了解日常避免不开的锂电池的基本知识。

 

http://www.cntronics.com/power-art/80031210

 

锂电池充电电路原理

 

一、锂电池与镍镉、镍氢可充电池:

 

锂离子电池的负极为石墨晶体,正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时,锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以,在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现,而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池,简称锂电池。

 

锂电池具有:体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点,但价格较贵。镍镉电池因容量低,自放电严重,且对环境有污染,正逐步被淘汰。镍氢电池具有较高的性能价格比,且不污染环境,但单体电压只有1.2V,因而在使用范围上受到限制。

 

二、锂电池的特点:

 

1、具有更高的重量能量比、体积能量比;

 

2、电压高,单节锂电池电压为3.6V,等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压;

 

3、自放电小可长时间存放,这是该电池最突出的优越性;

 

4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应,所以锂电池充电前无需放电;

 

5、寿命长。正常工作条件下,锂电池充/放电循环次数远大于500次;

 

6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.5~1倍容量的电流充电,使充电时间缩短至1~2小时;

 

7、可以随意并联使用;

 

8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素,对环境无污染,是当代最先进的绿色电池;

 

9、成本高。与其它可充电池相比,锂电池价格较贵。

 

三、锂电池的内部结构 :

 

锂电池通常有两种外型:圆柱型和长方型。

 

电池内部采用螺旋绕制结构,用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件,以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。

 

单节锂电池的电压为3.6V,容量也不可能无限大,因此,常常将单节锂电池进行串、并联处理,以满足不同场合的要求。 字串5

 

四、锂电池的充放电要求;

 

1、锂电池的充电:根据锂电池的结构特性,最高充电终止电压应为4.2V,不能过充,否则会因正极的锂离子拿走太多,而使电池报废。其充放电要求较高,可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电,当恒压充电电流降至100mA以内时,应停止充电。

 

充电电流(mA)=0.1~1.5倍电池容量(如1350mAh的电池,其充电电流可控制在135~2025mA之间)。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右,充电时间约为2~3小时。

 

2、锂电池的放电:因锂电池的内部结构所致,放电时锂离子不能全部移向正极,必须保留一部分锂离子在负极,以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则,电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子,就要严格限制放电终止最低电压,也就是说锂电池不能过放电。放电终止电压通常为 3.0V/节,最低不能低于2.5V/节。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间(小时)=电池容量/放电电流。锂电池放电电流 (mA)不应超过电池容量的3倍。(如1000mAH电池,则放电电流应严格控制在3A以内)否则会使电池损坏。

 

目前市场上所售锂电池组内部均封有配套的充放电保护板。只要控制好外部的充放电电流即可。

 

五、锂电池的保护电路:

 

两节锂电池的充放电保护电路如图一所示。由两个场效应管和专用保护集成块S--8232组成,过充电控制管FET2和过放电控制管FET1串联于电路,由保护IC监视电池电压并进行控制,当电池电压上升至4.2V时,过充电保护管FET1截止,停止充电。为防止误动作,一般在外电路加有延时电容。当电池处于放电状态下,电池电压降至2.55V时,过放电控制管FET1截止,停止向负载供电。过电流保护是在当负载上有较大电流流过时,控制FET1使其截止,停止向负载放电,目的是为了保护电池和场效应管。过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻,监视它的电压降,当电压降超过设定值时就停止放电。在电路中一般还加有延时电路,以区分浪涌电流和短路电流。该电路功能完善,性能可靠,但专业性强,且专用集成块不易购买,业余爱好者不易仿制。

 

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六、简易充电电路:

 

现在有不少商家出售不带充电板的单节锂电池。其性能优越,价格低廉,可用于自制产品及锂电池组的维修代换,因而深受广大电子爱好者喜爱。有兴趣的读者可参照图二制作一块充电板。其原理是:采用恒定电压给电池充电,确保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路,Q2、W2、R2构成可调恒流电路,Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电池电压的上升,充电电流将逐渐减小,待电池充满后R4上的压降将降低,从而使Q3截止, LED将熄灭,为保证电池能够充足,请在指示灯熄灭后继续充1—2小时。使用时请给Q2、Q3装上合适的散热器。本电路的优点是:制作简单,元器件易购,充电安全,显示直观,并且不会损坏电池.通过改变W1可以对多节串联锂电池充电,改变W2可以对充电电流进行大范围调节。缺点是:无过放电控制电路。图三是该充电板的印制板图(从元件面看的透视图)。

 

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七、单节锂电池的应用举例

 

1、 作电池组维修代换品

 

有许多电池组:如笔记本电脑上用的那种,经维修发现,此电池组损坏时仅是个别电池有问题。可以选用合适的单节锂电池进行更换。

 

2、 制作高亮微型电筒

 

笔者曾用单节3.6V1.6AH锂电池配合一个白色超高亮度发光管做成一只微型电筒,使用方便,小巧美观。而且由于电池容量大,平均每晚使用半小时,至今已用两个多月仍无需充电。电路如图四所示。

 

3、代替3V电源

 

由于单节锂电池电压为3.6V。因此仅需一节锂电池便可代替两节普通电池,给收音机、随身听、照相机等小家电产品供电,不仅重量轻,而且连续使用时间长。

 

八、锂电池的保存:

 

锂电池需充足电后保存。在20℃下可储存半年以上,可见锂电池适宜在低温下保存。曾有人建议将充电电池放入冰箱冷藏室内保存,的确是个好注意。

 

九、使用注意事项:

 

锂电池绝对不可解体、钻孔、穿刺、锯割、加压、加热,否则有可能造成严重后果。没有充电保护板的锂电池不可短路,不可供小孩玩耍。不能靠近易燃物品、化学物品。报废的 锂电池要妥善处理。 四、锂电池的充放电要求;

 

1、锂电池的充电:根据锂电池的结构特性,最高充电终止电压应为4.2V,不能过充,否则会因正极的锂离子拿走太多,而使电池报废。其充放电要求较高,可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电,当恒压充电电流降至100mA以内时,应停止充电。

 

充电电流(mA)=0.1~1.5倍电池容量(如1350mAh的电池,其充电电流可控制在135~2025mA之间)。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右,充电时间约为2~3小时。

 

2、锂电池的放电:因锂电池的内部结构所致,放电时锂离子不能全部移向正极,必须保留一部分锂离子在负极,以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则,电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子,就要严格限制放电终止最低电压,也就是说锂电池不能过放电。放电终止电压通常为 3.0V/节,最低不能低于2.5V/节。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间(小时)=电池容量/放电电流。锂电池放电电流 (mA)不应超过电池容量的3倍。(如1000mAH电池,则放电电流应严格控制在3A以内)否则会使电池损坏。

 

目前市场上所售锂电池组内部均封有配套的充放电保护板。只要控制好外部的充放电电流即可。

 

锂电池充电电路设计:

 

1. 涓流充电阶段。(在电池过渡放电,电压偏低的状态下)

 

3.0V以下。锂电池内部的介质会发生一些物理变化,致使充电特性变坏,容量降低等。在这个阶段,只能通过涓涓细流缓慢的对锂电池充电,是锂电 池内部的电介质慢慢的恢复到正常状态。

 

2. 恒流充电阶段。(电池从过放状态恢复到了正常状态)

 

IC外部的一个引脚外接一个电阻来决定。阻值大小则根据充电管理IC的datasheet上的公式来计算。

 

3.恒压充电阶段(已经充满85%以上,在慢慢的进行补充)

 

在锂电池的电容量达到了85%时候(约值),必须再 次进入慢充阶段。使电压慢慢上升。最终达到锂电池的最高电压4.2V。

 

BAT的引脚输出,这个BAT是连接到锂电池端的。同时这个引脚也 是锂电池电压检测引脚。锂电池充电管理IC通过检测这个引脚来判断电池的各个 状态。

 

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A210电源供电图

 

5V通过D2送到开关SW2, 同时通过充电管理IC MCP73831来 送到锂电池。SW2的左边点电压为5V-0.7V=4.3V。由于锂电池 的电压不管在充满电或者非充满状态的时候,都低于SW2左边点电压4.3V。所以D1是 截止的。 充电管理IC 正常对锂电池充电。

 

D2和D1, 后级LDO RT9193直接接在BAT引脚输出 上,则会是充电IC在通电的时候,会产生误判。会出现接上5V的外接电源,但是锂电池不会进行充电,充电管理IC的LED灯指示也不对。后级负载LDO也不会得到正常的输入电压(输入电压很小)。在这种情况下,只要将充电管理IC的电压输入脚直接对BAT引 脚短路连接一下,所有状态又正常,充电能进行,后级负载LDO工作也正常。

 

IC在接上电的瞬间,要检测BAT的状态,将LDO的输入引脚也连接到了BAT和 锂电池正极连接的支路中,会影响到BAT引脚的工作状态,致使充电管理IC进入了涓流充电阶段。 将BAT引脚和充电管理IC的电压输入短路连接一下,使BAT引 脚的电压强制性的升高,使充电管理IC判断为锂电池进入了恒流充电阶段,所以 输出大电流。能够驱动后级负载LDO等。

 

D1和D2要选用压降小的二极管。如锗二极管,肖特基二极管,MOSFET开关管。在需要电池切换的设计中,具有10mV正向压降、没有反向漏电流的二极管是设计人员的一个“奢求”。但到目前为止,肖特基二极管还是最好 的选择,它的正向压降介于300mV到500mV之间。但对某些电池切换电路,即使选择肖特基二极管也不能满足设计要求。对于一个高效电压转换器来说,节 省下来的那部分能量可能会被二极管的正向压降完全浪费掉。为了在低电压系统中有效保存电池能量,应该选择功率MOSFET开关替代二极管。采用SOT封 装、导通电阻只有几十毫欧的MOSFET,在便携产品的电流级别下可以忽略其 导通压降。

 

MOSFET来切换电源,最好对二极管导通压降、MOSFET导通 压降和电池电压进行比较,把压降与电池电压的比值看作效率损失。例如,把一个正向压降为350mV的 肖特基二极管用来切换Li+电池(标称值3.6V),损失则为9.7%,如果 用来切换两节AA电池(标称值2.7V),损失为13%。在低成本设计中,这 些损失可能还可以接受。但是,当使用了高效率的DC-DC时,就要权衡DC-DC的成本和把二极管升级为MOSFET带来的效率改善的成本。

 

MOSFET,还要考虑到产品上所用电池的放电特性。锂电池的放电特性如下:

 

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锂电池在常温状态下,消耗了90%的电量的时候,电压还是会保持 在3.5V左右,选 择一个好点的LDO器件。 那么在3.5V的时候,输出电压还是会稳定在3.3V.

 

LDO RT9193来看,负载电阻在50欧姆,负 载电流60mA的时候,输入电压和输出电压关系如下表所示:

 

2.8V2.65V

 

3.4v3.3V

 

4.0V3.0V

 

即使是锂电池消耗了90%的电量的时候, LDO的输出端依然可以稳定输出3.3V.从图一 A210的供电电路分析,加上硅二极管D1以 后, LDO输入电压=3.5---0.7V=2.8V. 这样只要模块烧录可以在2.4V左 右工作的程序,硅二极管也可以在此电路中使用了。

 

从电路性能上来考虑, 使用锗二极管或者肖特基二极管是最好的 选择。

 

具体采用什么电路设计,还需要根据自己的产品其他电路工作电压范围和特性, 成本等几方面考虑了。

 

1.锂离子电池充电要求的最适合电流是多少?

 

锂离子电池充电要求首先恒流充电,即电流一定,而电池电压随着充电过程逐步升高,当电池端电压达到4.2V(4.1V),改恒流充电为恒压充电,即电压一定,电流根据电芯的饱和程度,随着充电过程的继续逐步减小,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,注意是mA而不是Ah,0.01C就是10mA。)为什么认为0.01C为充电结束:这是国家标准 GB/T18287-2000所规定的,也是讨论得出的。以前大家普遍以20mA为结束,邮电部行业标准 YD/T998-1999也是这样规定的,即不管电池容量多大,停止电流都是20mA。国标规定的0.01C有助于充电更饱满,对厂家一方通过鉴定有利。另外,国标规定了充电时间不超过8小时,就是说即使还没有达到0.01C,8小时到了,也认为充电结束。(质量没问题的电池,都应在8小时内达到 0.01C,质量不好的电池,等下去也无意义)锂离子或锂聚合物电池组的最佳充电速率为1C,这意味着一个1000 mAh的电池组要以1000mA的电流进行快速充电,以这种速率充电可以实现最短的充电时间,而且不会降低电池组的性能及缩短使用寿命。对于容量不断增加的电池组,欲达到这种满意的充电速率,提高充电电流值是不可避免的。

 

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2.锂离子电池充电要求的最适合电压是多少?

 

锂离子电池标称电压3.7V(3.6V),充电截止电压4.2V(4.1V,根据电芯的厂牌有不同的设计)怎样区别电池是4.1V还是 4.2V:消费者是无法区分的,这要看电芯生产厂家的产品规格书。有些牌子的电芯是4.1V和4.2V通用的,比如A&TB(东芝),国内厂家基本是4.2V。把 4.1V的电芯充电到4.2V会怎么样:会使电池容量提高,感觉很好用,待机时间增加,但会减短电池的使用寿命。比如原来500次,减少到300次。同样道理,把4.2V的电芯过充,也会减短寿命。锂离子电芯是很娇嫩的。既然电池内有保护板,我们是否就可以放心了呢:不是,因为保护板的截止参数是 4.35V(这还是好的,差的要4.4到4.5V),保护板是应付万一的,假如每次都过充,电池也会很快衰减的。

 

3.苹果iPhone的电池规格是多少?

 

苹果iPhone的电池规格是标称电压3.7V,充电截止电压4.2V,电池容量1400mAh, 按照我们上面的所讲的,最佳充电速率1C,需要达到1400mA的电流开始充电,电压为3.7V,在电压达到4.2V后,开始进行恒压充电,直到达到 0.01C也就是14mA停止充电。

 

4.usb接口和充电器的电压、电流分别是多少?

 

usb接口的电流是500mA,电压是+5V,如果在充电过程中打开HWinfo,你也可以看到External Power一项是500mA充电器是为iPhone设计的,电压我想大家都明白那个白色的,可以插进电源插座的小方块是干什么的吧,就不用我再说了吧?使用充电器充电是,打开HWinfo可以看到 External Power一项是1000mA综上所述,当你使用usb来充电的时候,电压是+5V,而电流只有500mA,我们在参考1、2问题的答案就知道这种办法会增加电池容量,用起来很爽,但是会减短电池使用寿命。当使用充电器来充电时,大家可能会问,你不是说最佳速率是1C吗?那iPhone应该是1400mA 的充电电流才对啊,没错,可是国家还有一个规定,国标规定的低倍率充电是0.2C(仲裁充电制式),还以iPhone的1400mAh 容量的电池为例,就是280mA,理论上越小对电池越有好处。但你总不能为了一块电池充电等3天吧。(容量mAh=电流mA×时间h)所以苹果选择了 0.7C,大部分的电池在0.5C--0.8C之间5你们可以选择了!很明显有人使用usb充电,感觉时间较长,但是那是以牺牲电池寿命作为代价的。

 

所以。使用哪一种方法你们自己选择吧!