应教052毕明迪--锂离子电池的充电器设计

阳极材料为焦炭的电池为4.1V，不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别，如图2所示。

图2 常规锂离子电池的放电曲线

2.2.3 锂离子电池的充电特性

锂离子电池易受到过充电、深放电以及短路所造成的损害，其充电电压必须严格限制。

充电速度通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电则会损坏电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1C恒流充电至4.1V（或4.2V）时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减少，当电池充足电后，进入涓流充电过程，如图3所示。

图3 锂离子电池的充电曲线

为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全部分，充电器也必须采取安全保护措施，以检测锂离子电池的充放电状态。

5

2.3 锂电池充电方法

充电管理是锂离子电池管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命

有着至关重要的影响。随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。目前锂离子电池充电主要有四种方法：恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电。 2.3.1 恒流充电（CC）

采用恒流充电式，可使电池具有较高的充电效率，该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图4所示。这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。但由于锂电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。

u,i充电电压充电电流0图4 恒流充电法曲线

t

2.3.2恒压充电（CV）

在恒压充电法中，电池两端电压决定了充电电流，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。充电电流随着电压波动而变化，因此充电电流的最大值应设臵在充电电压最高时，以免使电池过充电，充电曲线如图5所示。从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对锂电池的寿命会造成很大影响。另外，在此种充电方式中，充电末期电池的充电电流将变大，会导致电池温度升高。随着电池温度升高，将造成电池的热失控，损害电池的性能，因此不推荐采用恒压充电方式。

6

u,i充电电压充电电流0图5 恒压充电法曲线

t

2.3.3 恒流恒压充电（CC/CV）

在CC/CV充电器中，充电通过恒定电流开始。在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85%的容量，电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低。在CV周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10容量时，充电周期完成，又称为二阶段式充电法。恒流恒压充电曲线如图6所示。

充电电流 u,i充电电压恒流恒压0图6 恒流恒压充电曲线

t

2.3.4 脉冲充电

脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。当电池电压上升到充电终止电压 Vcv后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。每次充电时间为Tc后，然后关闭充电回路。充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上并升超过充电终止电压Vcv；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。电池电压恢复到Vcv时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。在脉冲

7

充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到Vcv的时间达到某个预设的值T0为止，可以认为电池已接近充满，如图7所示。

u,i充电电压充电电流0图7 脉冲充电法曲线

t

在以上四种充电方法中，恒流充电不容易充满，恒压充电容易造成热失控，损害电池性能，而脉冲充电成本较高需要嵌入智能控制芯片，因此锂离子电池充电仍应该以恒流恒压的方法为主。虽然恒流恒压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充电效率高，并且对于电池寿命有所改善，因此在锂离子电池充电中占主导地位，本文所设计的充电器也将主要采用这种充电方法。 2.4 系统技术参数

本系统技术参数：充电电压/电流参数和系统充电曲线。 (1)充电曲线分析

由系统的充电曲线可以看出，本系统分3个阶段进行，如图8所示分别用A、B、C标明。此外，充电曲线A阶段部分与图3所示的曲线有所不同。A阶段的充电过程是根据应用的需要自定义的一个充电阶段，它是准备阶段。从充电曲线中可以看出，A阶段的充电电流较小，充电电压从3.5V以线形方式增加，增幅稳定且快速。这以阶段称为“预充电”过程，它用来检测电池是否正常。

(2)系统参数设定

充电过程分为3个阶段：A为预充电阶段；B为快速充电阶段；C为涓流充电阶段，各个充电阶段的技术参数可通过充电曲线得到。

A阶段：预充电阶段

指示快速充电之前的阶段，检测电池是否正常工作。充电至电压3.8?0.05V时，充电器转道快速充电阶段，在此期间充电电流维持在80?30mA。

B阶段：快速充电阶段

本阶段充电电流维持在150?30mA；电池电压大于3.9?0.1V而充电时间大

8