鋰電池充電電路原理

 

 

鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)負(fu)極(ji)為(wei)石(shi)墨(mo)晶(jing)體(ti)
，正(zheng)極(ji)通(tong)常(chang)為(wei)二(er)氧(yang)化(hua)鋰(li)。充(chong)電(dian)時(shi)鋰(li)離(li)子(zi)由(you)正(zheng)極(ji)向(xiang)負(fu)極(ji)運(yun)動(dong)而(er)嵌(qian)入(ru)石(shi)墨(mo)層(ceng)中(zhong)。放(fang)電(dian)時(shi)

，鋰(li)離(li)子(zi)從(cong)石(shi)墨(mo)晶(jing)體(ti)內(nei)負(fu)極(ji)表(biao)麵(mian)脫(tuo)離(li)移(yi)向(xiang)正(zheng)極(ji)。所(suo)以(yi)，在(zai)該(gai)電(dian)池(chi)充(chong)放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)鋰(li)總(zong)是(shi)以(yi)鋰(li)離(li)子(zi)形(xing)態(tai)出(chu)現(xian)
，而(er)不(bu)是(shi)以(yi)金(jin)屬(shu)鋰(li)的(de)形(xing)態(tai)出(chu)現(xian)。因(yin)而(er)這(zhe)種(zhong)電(dian)池(chi)叫(jiao)做(zuo)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)，簡(jian)稱(cheng)鋰(li)電(dian)池(chi)。

 

鋰電池具有：體積小、容量大、重量輕
、無汙染
、單節電壓高、自放電率低、dianchixunhuancishuduodengyoudian

，danjiagejiaogui。niegedianchiyinrongliangdi，zifangdianyanzhong，qieduihuanjingyouwuran
，zhengzhububeitaotai。nieqingdianchijuyoujiaogaodexingnengjiagebi，qiebuwuranhuanjing，dandantidianyazhiyou1.2V，因而在使用範圍上受到限製。

 

 

1、具有更高的重量能量比、體積能量比；

 

2、電壓高，單節鋰電池電壓為3.6V，等於3隻鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓
；

 

3
、自放電小可長時間存放

，這是該電池最突出的優越性
；

 

4
、無記憶效應。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應
，所以鋰電池充電前無需放電；

 

5、壽命長。正常工作條件下，鋰電池充/放電循環次數遠大於500次；

 

6
、可以快速充電。鋰電池通常可以采用0.5～1倍容量的電流充電
，使充電時間縮短至1～2小時；

 

7、可以隨意並聯使用；

 

8
、由於電池中不含鎘
、鉛
、汞等重金屬元素，對環境無汙染，是當代最先進的綠色電池
；

 

9
、成本高。與其它可充電池相比，鋰電池價格較貴。

 

 

鋰電池通常有兩種外型：圓柱型和長方型。

 

電池內部采用螺旋繞製結構，用一種非常精細而滲透性很強的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負fu極ji間jian間jian隔ge而er成cheng。正zheng極ji包bao括kuo由you鋰li和he二er氧yang化hua鈷gu組zu成cheng的de鋰li離li子zi收shou集ji極ji及ji由you鋁lv薄bo膜mo組zu成cheng的de電dian流liu收shou集ji極ji。負fu極ji由you片pian狀zhuang碳tan材cai料liao組zu成cheng的de鋰li離li子zi收shou集ji極ji和he銅tong薄bo膜mo組zu成cheng的de電dian流liu收shou集ji極ji組zu成cheng。電dian池chi內nei充chong有you有you機ji電dian解jie質zhi溶rong液ye。另ling外wai還hai裝zhuang有you安an全quan閥fa和hePTC元件

，以便電池在不正常狀態及輸出短路時保護電池不受損壞。

 

單節鋰電池的電壓為3.6V，容量也不可能無限大，因此，常常將單節鋰電池進行串、並聯處理

，以滿足不同場合的要求。 字串5

 

 

1、鋰電池的充電：根據鋰電池的結構特性，最高充電終止電壓應為4.2V，不能過充，否則會因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報廢。其充放電要求較高，可采用專用的恒流
、恒壓充電器進行充電。通常恒流充電至4.2V/節後轉入恒壓充電，當恒壓充電電流降至100mA以內時，應停止充電。

 

充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1350mAh的電池，其充電電流可控製在135～2025mA之間）。常規充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右
，充電時間約為2～3小時。

 

2
、鋰電池的放電：因yin鋰li電dian池chi的de內nei部bu結jie構gou所suo致zhi，放fang電dian時shi鋰li離li子zi不bu能neng全quan部bu移yi向xiang正zheng極ji，必bi須xu保bao留liu一yi部bu分fen鋰li離li子zi在zai負fu極ji
，以yi保bao證zheng在zai下xia次ci充chong電dian時shi鋰li離li子zi能neng夠gou暢chang通tong地di嵌qian入ru通tong道dao。否fou則ze，電dian池chi壽shou命ming就jiu相xiang應ying縮suo短duan。為wei了le保bao證zheng石shi墨mo層ceng中zhong放fang電dian後hou留liu有you部bu分fen鋰li離li子zi，就jiu要yao嚴yan格ge限xian製zhi放fang電dian終zhong止zhi最zui低di電dian壓ya，也ye就jiu是shi說shuo鋰li電dian池chi不bu能neng過guo放fang電dian。放fang電dian終zhong止zhi電dian壓ya通tong常chang為wei 3.0V/節，最低不能低於2.5V/節。電池放電時間長短與電池容量、放電電流大小有關。電池放電時間（小時）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流 （mA）不應超過電池容量的3倍。（如1000mAH電池
，則放電電流應嚴格控製在3A以內）否則會使電池損壞。

 

目前市場上所售鋰電池組內部均封有配套的充放電保護板。隻要控製好外部的充放電電流即可。

 

 

兩節鋰電池的充放電保護電路如圖一所示。由兩個場效應管和專用保護集成塊S--8232組成，過充電控製管FET2和過放電控製管FET1串聯於電路，由保護IC監視電池電壓並進行控製，當電池電壓上升至4.2V時

，過充電保護管FET1截止，停止充電。為防止誤動作，一般在外電路加有延時電容。當電池處於放電狀態下
，電池電壓降至2.55V時，過放電控製管FET1截止，停止向負載供電。過電流保護是在當負載上有較大電流流過時，控製FET1使(shi)其(qi)截(jie)止(zhi)，停(ting)止(zhi)向(xiang)負(fu)載(zai)放(fang)電(dian)，目(mu)的(de)是(shi)為(wei)了(le)保(bao)護(hu)電(dian)池(chi)和(he)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)。過(guo)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)是(shi)利(li)用(yong)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)的(de)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)作(zuo)為(wei)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)
，監(jian)視(shi)它(ta)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)，當(dang)電(dian)壓(ya)降(jiang)超(chao)過(guo)設(she)定(ding)值(zhi)時(shi)就(jiu)停(ting)止(zhi)放(fang)電(dian)。在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)一(yi)般(ban)還(hai)加(jia)有(you)延(yan)時(shi)電(dian)路(lu)
，以(yi)區(qu)分(fen)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)和(he)短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)。該(gai)電(dian)路(lu)功(gong)能(neng)完(wan)善(shan)，性(xing)能(neng)可(ke)靠(kao)，但(dan)專(zhuan)業(ye)性(xing)強(qiang)，且(qie)專(zhuan)用(yong)集(ji)成(cheng)塊(kuai)不(bu)易(yi)購(gou)買(mai)，業(ye)餘(yu)愛(ai)好(hao)者(zhe)不(bu)易(yi)仿(fang)製(zhi)。

 

 

 

現xian在zai有you不bu少shao商shang家jia出chu售shou不bu帶dai充chong電dian板ban的de單dan節jie鋰li電dian池chi。其qi性xing能neng優you越yue
，價jia格ge低di廉lian，可ke用yong於yu自zi製zhi產chan品pin及ji鋰li電dian池chi組zu的de維wei修xiu代dai換huan
，因yin而er深shen受shou廣guang大da電dian子zi愛ai好hao者zhe喜xi愛ai。有you興xing趣qu的de讀du者zhe可ke參can照zhao圖tu二er製zhi作zuo一yi塊kuai充chong電dian板ban。其qi原yuan理li是shi：采用恒定電壓給電池充電，確保不會過充。輸入直流電壓高於所充電池電壓3伏即可。R1、Q1、W1、TL431組成精密可調穩壓電路
，Q2
、W2、R2構成可調恒流電路，Q3、R3

、R4、R5、LED為充電指示電路。隨著被充電池電壓的上升，充電電流將逐漸減小，待電池充滿後R4上的壓降將降低，從而使Q3截止， LED將熄滅，為保證電池能夠充足
，請在指示燈熄滅後繼續充1—2小時。使用時請給Q2、Q3裝上合適的散熱器。本電路的優點是：製作簡單，元器件易購
，充電安全

，顯示直觀，並且不會損壞電池．通過改變W1可以對多節串聯鋰電池充電，改變W２可以對充電電流進行大範圍調節。缺點是：無過放電控製電路。圖三是該充電板的印製板圖（從元件麵看的透視圖）。

 

 

 

1
、 作電池組維修代換品

 

有許多電池組：如筆記本電腦上用的那種
，經維修發現，此電池組損壞時僅是個別電池有問題。可以選用合適的單節鋰電池進行更換。

 

2、 製作高亮微型電筒

 

筆者曾用單節3.6V1.6AH鋰li電dian池chi配pei合he一yi個ge白bai色se超chao高gao亮liang度du發fa光guang管guan做zuo成cheng一yi隻zhi微wei型xing電dian筒tong
，使shi用yong方fang便bian，小xiao巧qiao美mei觀guan。而er且qie由you於yu電dian池chi容rong量liang大da，平ping均jun每mei晚wan使shi用yong半ban小xiao時shi，至zhi今jin已yi用yong兩liang個ge多duo月yue仍reng無wu需xu充chong電dian。電dian路lu如ru圖tu四si所suo示shi。

 

3、代替3V電源

 

由於單節鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節鋰電池便可代替兩節普通電池
，給收音機、隨身聽

、照相機等小家電產品供電

，不僅重量輕
，而且連續使用時間長。

 

 

鋰電池需充足電後保存。在20℃下可儲存半年以上，可見鋰電池適宜在低溫下保存。曾有人建議將充電電池放入冰箱冷藏室內保存，的確是個好注意。

 

 

鋰電池絕對不可解體
、鑽孔、穿刺
、鋸割、加壓
、加熱，否則有可能造成嚴重後果。沒有充電保護板的鋰電池不可短路
，不可供小孩玩耍。不能靠近易燃物品、化學物品。報廢的 鋰電池要妥善處理。 四、鋰電池的充放電要求；

 

1、鋰電池的充電：根據鋰電池的結構特性，最高充電終止電壓應為4.2V，不能過充

，否則會因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報廢。其充放電要求較高
，可采用專用的恒流、恒壓充電器進行充電。通常恒流充電至4.2V/節後轉入恒壓充電，當恒壓充電電流降至100mA以內時，應停止充電。

 

充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1350mAh的電池，其充電電流可控製在135～2025mA之間）。常規充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時間約為2～3小時。

 

2
、鋰電池的放電：因yin鋰li電dian池chi的de內nei部bu結jie構gou所suo致zhi，放fang電dian時shi鋰li離li子zi不bu能neng全quan部bu移yi向xiang正zheng極ji，必bi須xu保bao留liu一yi部bu分fen鋰li離li子zi在zai負fu極ji，以yi保bao證zheng在zai下xia次ci充chong電dian時shi鋰li離li子zi能neng夠gou暢chang通tong地di嵌qian入ru通tong道dao。否fou則ze，電dian池chi壽shou命ming就jiu相xiang應ying縮suo短duan。為wei了le保bao證zheng石shi墨mo層ceng中zhong放fang電dian後hou留liu有you部bu分fen鋰li離li子zi，就jiu要yao嚴yan格ge限xian製zhi放fang電dian終zhong止zhi最zui低di電dian壓ya，也ye就jiu是shi說shuo鋰li電dian池chi不bu能neng過guo放fang電dian。放fang電dian終zhong止zhi電dian壓ya通tong常chang為wei 3.0V/節
，最低不能低於2.5V/節。電池放電時間長短與電池容量、放電電流大小有關。電池放電時間（小時）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流 （mA）不應超過電池容量的3倍。（如1000mAH電池，則放電電流應嚴格控製在3A以內）否則會使電池損壞。

 

目前市場上所售鋰電池組內部均封有配套的充放電保護板。隻要控製好外部的充放電電流即可。

 

鋰電池充電電路設計：

 

1. 涓流充電階段。（在電池過渡放電，電壓偏低的狀態下）

 

3.0Vyixia。lidianchineibudejiezhihuifashengyixiewulibianhua
，zhishichongdiantexingbianhuai，rongliangjiangdideng。zaizhegejieduan，zhinengtongguojuanjuanxiliuhuanmandeduilidianchichongdian，shilidian 池內部的電介質慢慢的恢複到正常狀態。

 

2. 恒流充電階段。（電池從過放狀態恢複到了正常狀態）

 

IC外部的一個引腳外接一個電阻來決定。阻值大小則根據充電管理IC的datasheet上的公式來計算。

 

3．恒壓充電階段（已經充滿85%以上
，在慢慢的進行補充）

 

在鋰電池的電容量達到了85％時候（約值）
，必須再 次進入慢充階段。使電壓慢慢上升。最終達到鋰電池的最高電壓4.2V。

 

BAT的引腳輸出
，這個BAT是連接到鋰電池端的。同時這個引腳也 是鋰電池電壓檢測引腳。鋰電池充電管理IC通過檢測這個引腳來判斷電池的各個 狀態。

 

 

A210電源供電圖

 

5V通過D2送到開關SW2
， 同時通過充電管理IC MCP73831來 送到鋰電池。SW2的左邊點電壓為5V－0.7V=4.3V。由於鋰電池 的電壓不管在充滿電或者非充滿狀態的時候
，都低於SW2左邊點電壓4.3V。所以D1是 截止的。 充電管理IC 正常對鋰電池充電。

 

D2和D1

， 後級LDO RT9193直接接在BAT引腳輸出 上，則會是充電IC在通電的時候，會產生誤判。會出現接上5V的外接電源，但是鋰電池不會進行充電，充電管理IC的LED燈指示也不對。後級負載LDO也不會得到正常的輸入電壓（輸入電壓很小）。在這種情況下，隻要將充電管理IC的電壓輸入腳直接對BAT引 腳短路連接一下，所有狀態又正常，充電能進行
，後級負載LDO工作也正常。

 

IC在接上電的瞬間，要檢測BAT的狀態
，將LDO的輸入引腳也連接到了BAT和 鋰電池正極連接的支路中
，會影響到BAT引腳的工作狀態
，致使充電管理IC進入了涓流充電階段。 將BAT引腳和充電管理IC的電壓輸入短路連接一下
，使BAT引 腳的電壓強製性的升高，使充電管理IC判斷為鋰電池進入了恒流充電階段，所以 輸出大電流。能夠驅動後級負載LDO等。

 

D1和D2要選用壓降小的二極管。如鍺二極管，肖特基二極管，MOSFET開關管。在需要電池切換的設計中
，具有10mV正向壓降
、沒有反向漏電流的二極管是設計人員的一個“奢求”。但到目前為止，肖特基二極管還是最好 的選擇
，它的正向壓降介於300mV到500mV之間。但對某些電池切換電路，即使選擇肖特基二極管也不能滿足設計要求。對於一個高效電壓轉換器來說，節 省下來的那部分能量可能會被二極管的正向壓降完全浪費掉。為了在低電壓係統中有效保存電池能量，應該選擇功率MOSFET開關替代二極管。采用SOT封 裝、導通電阻隻有幾十毫歐的MOSFET
，在便攜產品的電流級別下可以忽略其 導通壓降。

 

MOSFET來切換電源，最好對二極管導通壓降、MOSFET導通 壓降和電池電壓進行比較，把壓降與電池電壓的比值看作效率損失。例如，把一個正向壓降為350mV的 肖特基二極管用來切換Li+電池（標稱值3.6V）
，損失則為9.7%，如果 用來切換兩節AA電池（標稱值2.7V）


，損失為13%。在低成本設計中，這 些損失可能還可以接受。但是，當使用了高效率的DC-DC時，就要權衡DC-DC的成本和把二極管升級為MOSFET帶來的效率改善的成本。

 

MOSFET，還要考慮到產品上所用電池的放電特性。鋰電池的放電特性如下：

 

 

鋰電池在常溫狀態下，消耗了90%的電量的時候，電壓還是會保持 在3.5V左右，選 擇一個好點的LDO器件。 那麼在3.5V的時候，輸出電壓還是會穩定在3.3V.

 

LDO RT9193來看，負載電阻在50歐姆，負 載電流60mA的時候，輸入電壓和輸出電壓關係如下表所示：

 

2.8V2.65V

 

3.4v3.3V

 

4.0V3.0V

 

即使是鋰電池消耗了90%的電量的時候， LDO的輸出端依然可以穩定輸出3.3V.從圖一 A210的供電電路分析，加上矽二極管D1以 後， LDO輸入電壓=3.5---0.7V=2.8V. 這樣隻要模塊燒錄可以在2.4V左 右工作的程序，矽二極管也可以在此電路中使用了。

 

從電路性能上來考慮， 使用鍺二極管或者肖特基二極管是最好的 選擇。

 

具體采用什麼電路設計
，還需要根據自己的產品其他電路工作電壓範圍和特性
， 成本等幾方麵考慮了。

 

 

鋰離子電池充電要求首先恒流充電
，即電流一定
，而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到4.2V（4.1V），改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定
，電流根據電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續逐步減小，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，注意是mA而不是Ah
，0.01C就是10mA。）為什麼認為0.01C為充電結束：這是國家標準 GB/T18287-2000所規定的，也是討論得出的。以前大家普遍以20mA為結束，郵電部行業標準 YD/T998-1999也是這樣規定的
，即不管電池容量多大
，停止電流都是20mA。國標規定的0.01C有助於充電更飽滿，對廠家一方通過鑒定有利。另外，國標規定了充電時間不超過8小時，就是說即使還沒有達到0.01C，8小時到了，也認為充電結束。（質量沒問題的電池
，都應在8小時內達到 0.01C，質量不好的電池，等下去也無意義）鋰離子或鋰聚合物電池組的最佳充電速率為1C，這意味著一個1000 mAh的電池組要以1000mA的de電dian流liu進jin行xing快kuai速su充chong電dian

，以yi這zhe種zhong速su率lv充chong電dian可ke以yi實shi現xian最zui短duan的de充chong電dian時shi間jian，而er且qie不bu會hui降jiang低di電dian池chi組zu的de性xing能neng及ji縮suo短duan使shi用yong壽shou命ming。對dui於yu容rong量liang不bu斷duan增zeng加jia的de電dian池chi組zu，欲yu達da到dao這zhe種zhong滿man意yi的de充chong電dian速su率lv，提ti高gao充chong電dian電dian流liu值zhi是shi不bu可ke避bi免mian的de。

 

　

 

 

鋰離子電池標稱電壓3.7V（3.6V）
，充電截止電壓4.2V（4.1V，根據電芯的廠牌有不同的設計）怎樣區別電池是4.1V還是 4.2V：消費者是無法區分的，這要看電芯生產廠家的產品規格書。有些牌子的電芯是4.1V和4.2V通用的
，比如A&TB（東芝），國內廠家基本是4.2V。把 4.1V的電芯充電到4.2V會怎麼樣：會使電池容量提高，感覺很好用，待機時間增加
，但會減短電池的使用壽命。比如原來500次，減少到300次。同樣道理，把4.2V的電芯過充
，也會減短壽命。鋰離子電芯是很嬌嫩的。既然電池內有保護板
，我們是否就可以放心了呢：不是，因為保護板的截止參數是 4.35V（這還是好的，差的要4.4到4.5V）
，保護板是應付萬一的，假如每次都過充

，電池也會很快衰減的。

 

 

蘋果iPhone的電池規格是標稱電壓3.7V
，充電截止電壓4.2V，電池容量1400mAh， 按照我們上麵的所講的

，最佳充電速率1C，需要達到1400mA的電流開始充電，電壓為3.7V，在電壓達到4.2V後
，開始進行恒壓充電
，直到達到 0.01C也就是14mA停止充電。

 

 

usb接口的電流是500mA，電壓是＋5V，如果在充電過程中打開HWinfo

，你也可以看到External Power一項是500mA充電器是為iPhone設計的
，電壓我想大家都明白那個白色的，可以插進電源插座的小方塊是幹什麼的吧，就不用我再說了吧？使用充電器充電是，打開HWinfo可以看到 External Power一項是1000mA綜上所述
，當你使用usb來充電的時候
，電壓是＋5V，而電流隻有500mA，我們在參考1、2wentidedaanjiuzhidaozhezhongbanfahuizengjiadianchirongliang，yongqilaihenshuang
，danshihuijianduandianchishiyongshouming。dangshiyongchongdianqilaichongdianshi，dajiakenenghuiwen

，nibushishuozuijiasulvshi1C嗎？那iPhone應該是1400mA 的充電電流才對啊，沒錯
，可是國家還有一個規定，國標規定的低倍率充電是0.2C（仲裁充電製式），還以iPhone的1400mAh 容量的電池為例，就是280mA
，理論上越小對電池越有好處。但你總不能為了一塊電池充電等3天吧。（容量mAh＝電流mA×時間h）所以蘋果選擇了 0.7C，大部分的電池在0.5C--0.8C之間5你們可以選擇了！很明顯有人使用usb充電，感覺時間較長，但是那是以犧牲電池壽命作為代價的。

 

所以。使用哪一種方法你們自己選擇吧！

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