電源工程師設計全攻略（三）：充電電路設計

　　一、鋰電池充電原理

　　鋰離子電池的充電過(guò)程可以分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。

　　鋰電池充電器的基本要求是特定的充電電流和充電電壓，從而保證電池安全充電。增加其它充電輔助功能是為了改善電池壽命，簡(jiǎn)化充電器的操作，其中包括給過(guò)放電的電池使用涓流充電、電池電壓檢測、輸入電流限制、充電完成后關(guān)斷充電器、電池部分放電后自動(dòng)啟動(dòng)充電等。

　　鋰電池的充電方式是限壓恒流，都是由IC芯 片控制的，典型的充電方式是：先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進(jìn)行預充電，充電電流為設定電流的1/10，電壓升到3V后，進(jìn)入標準充電 過(guò)程。標準充電過(guò)程為：以設定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20V時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為 4.20V。此時(shí)，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的1/10時(shí)，充電結束。下圖為充電曲線(xiàn)

　　圖1

　　圖2

　　階段1：涓流充電——涓流充電用來(lái)先對完全放電的電池單元進(jìn)行預充（恢復性充電）。在電池電壓低于3V左右時(shí)采用涓流充電，涓流充電電流是恒流充電電流的十分之一即0.1c（以恒定充電電流為1A舉例，則涓流充電電流為100mA），

　　階段2：恒流充電——當電池電壓上升到涓流充電閾值以上時(shí)，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至 1.0C之間。電池電壓隨著(zhù)恒流充電過(guò)程逐步升高，一般單節電池設定的此電壓為3.0-4.2V.

　　階段3：恒壓充電—— 當電池電壓上升到4.2V時(shí)，恒流充電結束，開(kāi)始恒壓充電階段。電流根據電芯的飽和程度，隨著(zhù)充電過(guò)程的繼續充電電流由最大值慢慢減少，當減小到0.01C時(shí)，認為充電終止。（C是以電池標稱(chēng)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。）

　　階段4：充電終止——

　　有兩種典型的充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時(shí)器（或者兩者的結合）。最小電流法監視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流減小到0.02C至0.07C范圍時(shí)終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開(kāi)始時(shí)計時(shí)，持續充電兩個(gè)小時(shí)后終止充電過(guò)程。

　　上述四階段的充電法完成對完全放電電池的充電約需要2.5至3小時(shí)。高級充電器還采用了更多安全措施。例如如果電池溫度超出指定窗口（通常為0℃至45℃），那么充電會(huì )暫停。

　　二、鋰電池與鎳鎘電池

　　1、鋰離子電池及充電器

　　鋰電池輕薄短小且容量大，其陽(yáng)極為石墨晶體，陰極通常為二氧化鈷鋰，在充放電反應中，鋰永遠以離子形態(tài)出現，所以這種電池稱(chēng)為鋰離子電池。鋰離子電池與鎳氫鎳鎘電池相比有以下優(yōu)點(diǎn)：1、單體電池工作電壓為3.6V，是鎳鎘電池的三倍；2、在容量相同的情況下，體積可減小30%，重量可降低50%；3、壽命可達1200次以上；4、允許工作溫度范圍（-20℃~+60℃）很寬，可大電流快速充電。

　　單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴格保持在4.1V±50mV，若超過(guò)4.5V，可造成永久性破壞。其放電電壓不得低于2.2V，否則也會(huì )造成永久性破壞。最簡(jiǎn)單的鋰離子電池充電器電路圖如上圖所示。該充電器中，采用了鋰離子電池充電控制器LM3420，可對兩只串聯(lián)鋰離子電池組充電。當電池組電壓低于8.4V時(shí)，LM3420輸出端（OUT）無(wú)輸出電流，晶體三極管VT2截止，因此，電壓可調穩壓器LM317輸出恒定電流，其值為1.25V/R。LM317額定輸出電流為1.5A，若需要更大的充電電流，可選用LM350或LM338。充電過(guò)程中，電池電壓不斷上升。電池電壓被LM3420的輸入腳（NI）檢測，當電池電壓升到8.4V時(shí)，LM3420開(kāi)始輸出電流，使VT2開(kāi)始控制LM317的輸出電壓，充電器轉入恒壓充電過(guò)程，電池電壓穩定在8.4V，充電器轉入恒壓充電過(guò)程，電池電壓穩定在8.4V，此后充電電流開(kāi)始減小，充足電后，充電電流下降到涓流充電。當輸入電壓中斷后，晶體三極管VT1截止，電池組與LM3420斷開(kāi)。二極管VD可避免電池通過(guò)LM317放電。

　　2、全自動(dòng)鎘鎳電池充電器

　　鎳鎘電池正極板上的活性物質(zhì)由 氧化鎳粉和石墨粉組成，石墨不參加化學(xué)反應，其主要作用是增強導電性。負極板上的活性物質(zhì)由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的 擴散性，防止結塊，并增加極板的容量?；钚晕镔|(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板 隔開(kāi)。電解液通常用氫氧化鉀溶液。

　　本充電器電路采用折點(diǎn)電壓法對鎘鎳電池進(jìn)行充電。當電池充足電時(shí)，充電電流將自動(dòng)減至8mA，同時(shí)用發(fā)光管指示充電結束，并給電池提供涓細電流，維持電量。因而不會(huì )產(chǎn)生過(guò)充及欠充現象，從而延長(cháng)了鎳鎘電池的使用壽命，如圖。

　　圖中，VD3為充電指示，VD4為充電結束指示。充電部分采用三端穩壓塊μA7806組成恒流源充電電路。充電電流I=（6V/R1）+IVD6=（6V/R1）+8mA。適當選取R1可以得到合適的充電電流。

　　控制部分采用單向晶閘管VS。當電池充足時(shí)，電池兩端的電壓上升至一固定值（單只1.4~1.55V），導致晶閘管VS導通使VD6發(fā)光，且VT2隨之飽和導通導致VT1五偏置電流而截止。這是電池的充電電流只剩下流過(guò)VD5的三端穩壓塊的靜態(tài)電流，月8mA左右，因而電池不會(huì )被過(guò)充。

　　調試：用充足的鎘鎳電池代替代充電池，仔細調節RP使VD6剛好點(diǎn)亮，測充電電流為8mA即可。

　　三、經(jīng)典充電電路設計（一）

　　1、簡(jiǎn)易充電電路

　　220V經(jīng)變壓器T輸出為12V。變壓器T次級中心抽頭分為兩個(gè)6V，為相互獨立的單元。各單元經(jīng)半波整流變?yōu)?V直流電供電池充電。圖中R1取6Ω、1W，R2取24Ω、1/2W，R3取47Ω、1/8W。此電路有快、慢兩種充法可供選擇?？斐潆娏鳛?00mA、慢充電流為50mA。

　　現在家用可調穩壓電源已經(jīng)很普及了，如果照圖（2）做一個(gè)附加器，便可增加充電功能。此充電器可以在不影響調壓電源工作的情況下進(jìn)行充電。VD1可防止外接輸入電壓反相。VD2為電源指示，如果插上3V電源，發(fā)光二極管不亮，則輸入+、-極反相，變換一下即可。燈亮即可充電。R1取5Ω、1W、R2取20Ω、0.5W，R3取470Ω、0.125W。

　　圖三是以上兩種電路的充電附加器，可以克服以上兩電路不能單個(gè)電池充電的缺點(diǎn)。它利用硅管的管壓降為0.7V的特點(diǎn)。用兩只二極管相串，壓降正好為1.4V。二極管可用額定電壓大于10V，額定電流大于200mA的。

　　2、電動(dòng)自行車(chē)電池快速充電器

　　這里介紹的電動(dòng)自行車(chē)的蓄電池快速充電器，其充電量可達普通充電電池容量的95%，充電時(shí)間僅用5h即可。

　　工作原理：電路如圖所示。T為隔離變壓器。L1、L2各輸6V的交流電壓，L2輸出36V的交流電壓。當交流電第一個(gè)正半周到來(lái)時(shí)，V1經(jīng)VD1半波整流后取得同步電壓觸發(fā)VS1導通。V2經(jīng)橋式整流器VD3~VD6，通過(guò)VS1對電動(dòng)自行車(chē)蓄電池GB充電，當交流電過(guò)零時(shí)，VS1自動(dòng)關(guān)斷；在過(guò)零后的第一個(gè)負半周到來(lái)時(shí)，V3經(jīng)VD7半波整流，取得觸發(fā)電壓使VS2導通，于是GB便通過(guò)VS2對電容C1充電，當C1兩端電壓上升到與電池GB兩端電壓接近，且L3交流電壓過(guò)零時(shí)，VS2自動(dòng)關(guān)斷，停止放電。此時(shí)電容C1便通過(guò)電位器RP、電阻R3泄放，為下一期充電作準備。當電源第二個(gè)正半周到來(lái)時(shí)，VS1又被觸發(fā)導通對GB進(jìn)行充電。如此周而復始，短暫的放電消除大電流充電引起的極板極化，是充電能順利進(jìn)行，并使充電溫升也得到控制。

　　為使GB充電量達到80~85%時(shí)減少充電電流，以便保護蓄電池，電路中采用了三極管VT和電位器RP構成電壓檢測電路，檢測電壓取樣于C1的兩端，這樣可避免大電流充電時(shí)電池端電壓升高的現象。制作過(guò)程中要注意電源變壓器接頭的同名端。

　　四、經(jīng)典充電電路設計（二）

　　1、 手機萬(wàn)能充電器電路圖

　　該充電器具有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池充電轉換開(kāi)關(guān)，并具有放電功能。在150～250Ｖ、40ｍＡ的交流市電輸入時(shí)，可輸出300±50ｍＡ的直流電流。

　　該充電器采用了RCC型開(kāi)關(guān)電源，即振蕩抑制型變換器，它與PWM型開(kāi)關(guān)電源有一定的區別。PWM型開(kāi)關(guān)電源由獨立的取樣誤差放大器和直流放大器組 成脈寬調制系統；而RCC型開(kāi)關(guān)電源只是由穩壓器組成電平開(kāi)關(guān)，控制過(guò)程為振蕩狀態(tài)和抑制狀態(tài)。由于PWM型開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管總是周期性的通斷，系統控 制只是改變每個(gè)周期的脈沖寬度，而RCC型開(kāi)關(guān)電源的控制過(guò)程并非線(xiàn)性連續變化，它只有兩個(gè)狀態(tài)：當開(kāi)關(guān)電源輸出電壓超過(guò)額定值時(shí)，脈沖控制器輸出低電 平，開(kāi)關(guān)管截止；當開(kāi)關(guān)電源輸出電壓低于額定值時(shí)，脈沖控制器輸出高電平，開(kāi)關(guān)管導通。當負載電流減小時(shí)，濾波電容放電時(shí)間延長(cháng)，輸出電壓不會(huì )很快降低， 開(kāi)關(guān)管處于截止狀態(tài)，直到輸出電壓降低到額定值以下，開(kāi)關(guān)管才會(huì )再次導通。開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間取決于負載電流的大小。開(kāi)關(guān)管的導通／截止由電平開(kāi)關(guān)從輸出電 壓取樣進(jìn)行控制。因此這種電源也稱(chēng)非周期性開(kāi)關(guān)電源。

　　220Ｖ市電經(jīng)VD1～VD4橋式整流后在V2的集電極上形成一個(gè)300Ｖ左右的直流電壓。由 V2和開(kāi)關(guān)變壓器組成間歇振蕩器。開(kāi)機后，300Ｖ直流電壓經(jīng)過(guò)變壓器初級加到V2的集電極，同時(shí)該電壓還經(jīng)啟動(dòng)電阻R2為Ｖ２的基極提供一個(gè)偏置電壓。 由于正反饋作用，V2 Ic 迅速上升而飽和，在Ｖ２進(jìn)入截止期間，開(kāi)關(guān)變壓器次級繞組產(chǎn)生的感應電壓使ＶＤ７導通，向負載輸出一個(gè)９Ｖ左右的直流電壓。開(kāi)關(guān)變壓器的反饋繞組產(chǎn)生的感 應脈沖經(jīng)ＶＤ５整流、Ｃ１濾波后產(chǎn)生一個(gè)與振蕩脈沖個(gè)數呈正比的直流電壓。此電壓若超過(guò)穩壓管ＶＤ１７的穩壓值，ＶＤ１７便導通，此負極性整流電壓便加在 Ｖ２的基極，使其迅速截止。Ｖ２的截止時(shí)間與其輸出電壓呈反比。ＶＤ１７的導通／截止直接受電網(wǎng)電壓和負載的影響。電網(wǎng)電壓越低或負載電流越大，ＶＤ１７ 的導通時(shí)間越短，Ｖ２的導通時(shí)間越長(cháng)，反之，電網(wǎng)電壓越高或負載電流越小，ＶＤ５的整流電壓越高，ＶＤ１７的導通時(shí)間越長(cháng)，Ｖ２的導通時(shí)間越短。Ｖ１是過(guò) 流保護管，Ｒ５是Ｖ２Ｉｅ的取樣電阻。當Ｖ２Ｉｅ過(guò)大時(shí)，Ｒ５上的電壓降使Ｖ１導通，Ｖ２截止，可有效消除開(kāi)機瞬間的沖擊電流，同時(shí)對ＶＤ１７的控制功能 也是一種補償。ＶＤ１７以電壓取樣來(lái)控制Ｖ２的振蕩時(shí)間，而Ｖ１是以電流取樣來(lái)控制Ｖ２振蕩時(shí)間的。

　　2、智能型太陽(yáng)能充電電路

　　本文設計中采用16個(gè)光伏電池串聯(lián)，組成電壓約為1218V 的太陽(yáng)能組件，通過(guò)采集較高多的光能，保證日照能夠使鋰電池完全充滿(mǎn)電，具體電路如圖所示。

　　智能型太陽(yáng)能充電電路設計主電路

　　太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的電能，一路經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T1 的122繞組加至開(kāi)關(guān)管Q1 的集電極（ c） ，另一路經(jīng)過(guò)R1 為Q1 提供基極電壓。 當基極（ b）的電壓為高電平時(shí)， Q1 開(kāi)始導通，變壓器T1 的122繞組中產(chǎn)生1正2 負的電動(dòng)勢，經(jīng)T1 耦合，在T1 的324繞組中產(chǎn)生3正4負的感應電動(dòng)勢，此電動(dòng)勢經(jīng)R5 ， C2 疊加到Q1的基極（ b） ，使Q1 迅速飽和導通。 由于變壓器T1 的122間的電流不能突變，在此過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生1負2正的電動(dòng)勢。 變壓器T1 的324繞組中感應出3負4正的電動(dòng)勢，通過(guò)R5 ， C2 ，使Q1 迅速進(jìn)入截止狀態(tài)。 經(jīng)R1 對C2 的不斷充電， Q1 又開(kāi)始導通，進(jìn)入下一輪的開(kāi)關(guān)振蕩狀態(tài)。 在導通期間， T1 變壓器的副邊繞組526，經(jīng)整流二極管D4 向外輸送能量。

　　穩壓電路由穩壓管D0、三極管Q2 等元件組成。 當負載減輕或太陽(yáng)能組件輸出電壓升高時(shí)， A 點(diǎn)電壓上升。 當該電壓大于511V 時(shí)， D0 擊穿， Q2 因b2e結正向偏置而迅速導通，使Q1 提前截止，從而使輸出電壓趨于下降；反之，則控制過(guò)程相反，從而使變壓器T1 副邊輸出電壓基本穩定。 當負載過(guò)重時(shí)， Q1 的c2e電流增大， R4 上的壓降也隨之增大。 當該電壓大于017V 時(shí)， Q2 導通， Q1 截止，達到過(guò)流保護的目的。 為避免截止期間變壓器T1 的122 繞組感應出的尖峰脈沖擊穿開(kāi)關(guān)管Q1 ，并聯(lián)了尖峰脈沖吸收電路。

　　——下期《電源工程師設計全攻略（四）：交流穩壓電源設計》 精彩搶先看：1、最完整的交流穩壓電源應用與分類(lèi)；2、最新穎的電子調壓器設計。

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