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电源工程师设计全攻略(一)--充电电路设计

作者:时间:2014-07-29来源:网络收藏

  一、充电原理

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/256202.htm

  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。

  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。

  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。

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