浅谈锂电池充电放电工作原理与实用
来源：宝鄂实业
2019-04-04 14:47
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根据锂电池的原理及特点确定正确的充电模式，利用微控制器对锂电池包的整个充电过程进行智能化管理，在充电过程中实时采集充电电流、电压及温度信息，动态调整充电电流。核心是智能控制系统和功率转换系统，同时兼具智能报警、温度自动调节、实时监测、充电保护等多种功能。实验表明，所设计的智能充电器安全可靠，具有广阔的应用前景。
锂电池因其具有体积小、容量大等特点，在便携设备领域得到了广泛应用。由于锂电池的能量密度较高，难以控制其安全性，过充、过放、温度不适宜都会影响充电的安全及电池的寿命 因而要求充电器具有合理的充电模式及温度调整系统。不恰当的充电模式会影响锂电池的寿命，严重的会引起爆炸，因此锂电池的正确充电至关重要。传统充电器往往采用全模拟控制电路，无法保证充电过程的安全、准确。
从保护锂电池寿命角度考虑，常规锂电池的充电一般会经过涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止的等四个阶段。
了更好的说明锂电池的充电过程，下图展现典型的锂电池是如何进行充电的。
充电器主要包括功率转换模块和智能控制模块。
功率转换模块是将交流市电经过整流滤波转换为直流电，再经过 PWM 式 DC － DC 变换器，实现动态可调节电压的输出。关注茂捷半导体，拥有更多低能耗高效能的管理IC智能控制模块以单片机为核心，通过对充电电压、电流及温度的采集，根据单片机内部设置的控制算法及外围调整电路，动态调整 PWM 调节器输出的占空波形，从而实现对充电电压的智能管理。
充电器电源主电路采用正激式，包括滤波整流电路、PWM 变换器、输出电路，如图 2 所示。电源进线端的 Ｒ、C、L 是为了滤除电网的干扰。充电器接通电源时，电容吸收纹波，平滑电压波形。充电器仅在市电正弦半波瞬时值大于电容直流电压时充电，且充电频率是低频的，放电频率是高频的，因此输入电流有效值I比负载电流 I0 大，即有
I = 1. 12I0
电容器的选择需要考虑其波纹电压和耐压的要求。扼流圈 L 用于平滑电流，流过电感的电流必须是连续的，否则会产生较大的电压尖峰波。为承受电路中有可能窜入的浪涌电压，在整流电路后加一个热敏电阻 NTC，有效防止电网干扰电压对电路造成的损害。变换器中的功率开关元件采用 MOS 管，因其较双极型晶体管动作快，频率高，且不存在二次击穿。关注茂捷半导体，拥有更多低能耗高效能的管理IC由于输出功率比较大，在输出电路中加入 LC 滤波器以减小纹波电压。但 LC 滤波器会影响变换器工作，因此采用 Ｒ3 、C5 构成阻尼电路，增强电路的稳定性。
我们以手机上常见的标称3.7V锂电池，充电的四个阶段进行说明：
阶段1：涓流充电——涓流充电用来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。关注茂捷半导体，拥有更多低能耗高效能的管理IC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——通常有两种典型的充电终止方法。一个就是采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。关注茂捷半导体，拥有更多低能耗高效能的管理IC最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流小于0.02C时终止充电。第二种方法就是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。
当然现在部分锂电池的充电系统还采用了更多的安全措施，如电池温度超出指定窗口(通常为0℃至45℃)，那么充电会暂停。 充电结束后，如检测到电池电压低于3.89V将会重新充电等。以上是个标准的锂电池的充电过程，我们通常又称为四段式充电，其的充电过程通常由IC芯片M1056/M4054进行控制。
根据锂电池的充放电特点，将锂电池的充电过程分为恒流快充阶段和恒压阶段。当锂电池初始电压过低时，需要先用小电流对过放的电池进行预充电，可有效减少过放对电池造成的损伤。关注茂捷半导体，拥有更多低能耗高效能的管理IC
通过对电池电压、充电电流以及温度进行检测，利用软件实现充电过程的转换以及报警，确保锂电池可以正常充电。在电池接入充电电路后，系统根据电池电压选择充电方式，当单节电池电压 ＜ 2. 5 V 时，先对其进行预充。对于 5 节锂电池串联的电池包，其阈值电压则为 12. 5 V。一旦结束预充电即进入快充阶段，此时电池电压会快速上升，当检测到电压 ＞ 20. 5 V 时，进入恒压充电阶段。充电电流开始下降，当电流＜200mA 时，充电结束。整个充电过程中系统会通过电池电压以及温度变化调节充电电流，使充电过程按照预定模式进行。
设计了一款智能锂电池充电器，采用双环控制的方式，利用单片机对充电过程进行智能化管理，通过软件编程动态调整充电电流。给出了软件设计和硬件电路的实现方法，对电池包进行充电实验来验证充电器的性能。实验表明，该充电器安全、稳定、省时，具有广阔的市场应用前景。关注茂捷半导体，拥有更多低能耗高效能的管理IC
茂捷半导体是一家专业从事纯模拟电路和数模混合集成电路设计的IC设计公司。公司资深研发团队将业界先进的设计技术与亚太地区的本土优势产业链相结合，服务全球市场，为客户提供高效率、低功耗、低风险、低成本、绿色化的产品方案和服务。助力于充电器、适配器电源IC、LED驱动照明、锂电充电IC等产业的发展。
