电池充放电理论与方案

1、电池充放电理论与方案一、镍氢电池有记忆效应，只是没镍镉电池明显。记忆效应最不明显的是锂电池。 记忆效应不明显意味着，可以多次充电，甚至每用完就充电而不会有太打的影响。从延长使用寿命角度来看，在充放电3050次左右，可以做一次深度放电，以恢复到最大容量。过度放电，反而伤害电池。 一节镍氢电池的额定电压是在1.2V，在刚充满电的时候实际是超过这个值的，一般在1.4-1.5V之间。随着使用，电压会逐渐降低，在一般的使用场合，当电压低于1V时，就基本无法使用。我们所说的深度放电一般指电压下降到0.85V-0.9V之间。通过低电压，小电流的放电，达到这个值的时候，镍氢电池(也包括镍镉)就能恢复到最大的容

2、量，延长使用寿命。但如果继续放电，一旦低于0.8V就有可能造成对电池不可逆的伤害，反而是影响了电池的寿命。对电池深度放电比较好的方法是购买有放电功能的充电器或专门的放电器。二、长期不用的电池保存和恢复方法。由于镍镉电池和镍氢电池特性不同，所以保存方法叶不同。镍镉电池是要将电用完来保存，采用正确的充电方法，大概需要充放35次才能将电池恢复到最佳状态。而镍氢电池要长期保存前，应该充电到80左右，然后再保存。长期保存的镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用正确方法充放23次就可以恢复到最佳状态了。三、关于充电的问题。按充电电流来分：有快速充电和慢速充电。 按充电方式来分：有恒流充电和脉冲充电。 1、什

3、么是快充，什么是慢充。 以一节电池的标称容量为1C，在0.10.2C的充电电流为慢充，0.2C的为快充，0.8C的为超快速充电，0.05C的则是涓流充电。以一节1400MAH的镍氢电池为例，充电电流在140MA280MA之间的为慢速充电，而同样280MA的充电电流，对一节700MAH的电池则就是快充。2、究竟是快好还是慢好？其实这也没有固定的答案。很多人都认为慢好，认为快充会伤害电池。原因并不是很多人所想的“大电流充电伤害电池”。真正的原因是发热，由于大电流而引起的发热。过高的温度对电池寿命有很大的影响。所以说大电流并不可怕，头疼的是怎样来解决发热的问题。 3、恒流充电和脉冲充电：在慢充时，基

4、本上所有的充电器都采用了恒流的充电方法，这样电路设计比较简单，容易实现。而由于充电电流在慢速范围，并不会引起电池过热的问题。到了用快速电流充电的问题上，再使用恒流方式，无疑无法避免电池过热的问题，因此恒流的方法就被摒弃。取而代之的是脉冲方式，从波形上可以看出，充电电流的输出不是直线，而是正弦波。波峰时，电流最大，然后马上进入波谷，几乎是没有电流。这样设计的目的是为了让电池有一个恢复时间，从而减少大电流产生的热量，使电池发热控制在一个可接受的水平。现在市场上看到的百余元左右的快速充电器，基本都采用这个方法。而且这类充电器还采用了电压斜率判断法或delta判断法来判断电池是否充满，一旦充满就自动转

5、入涓流充电，以免超过时间后大电流对电池造成伤害。大于1C的超高速充电，国际上采用的基本都是脉冲法加去极化反应结合的方式。就是在脉冲法的基础上，当一个正弦波的上半部完成后，插入一个短暂负电压的余弦波，来抵消过大的电流产生巨大热量(极化反应)，从而将电池热量控制住。这种方法一般只有在比较专业的充电器，这类充电器往往可以做到用2C3C的电流对电池进行充电。 这些方法中，从电池使用寿命角度来看，慢速恒流充电无疑是对保证电池寿命最好的方法。先进的锂电池线性充电管理芯片BQ2057及其应用1 引言 BQ2057系列是美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片，BQ2057系列芯片适合单节(4.1V或4.2V

6、)或双节(8.2V或8.4V)锂离子(Li-Ion)和锂聚合物(Li-Pol)电池的充电需要，同时根据不同的应用提供了MSOP、TSSOP和SOIC的可选封装形式，利用该芯片设计的充电器外围电路及其简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性。 2.功能及特性 2.1

7、 器件封装及型号选择 BQ2057系列充电芯片为满足设计需要，提供了多种可选封装及型号，其封装形式如图21所示，有MSOP、TSSOP和SOIC三种封装形式。其型号如表21所示，有BQ2057、BQ2057C、BQ2057T和BQ2057W四种型号，分别适合4.1V、4.2V、8.2V和8.4V的充电需要。 元件型号充电电压BQ20574.1VBQ2057C4.2VBQ2057T8.2VBQ2057W8.4VBQ2057的引脚功能描述如下： VCC (引脚1):工作电源输入； TS (引脚2):温度感测输入，用于检测电池组的温度； STAT(引脚3):充电状态输出，包括:充电中、充电完成和温度

8、故障三个状态； VSS (引脚4):工作电源地输入； CC (引脚5):充电控制输出； COMP(引脚6):充电速率补偿输入； SNS (引脚7):充电电流感测输入； BAT (引脚8):锂电池电压输入； 2.2 充电状态流程 BQ2057的充电状态流程如图23所示，其充电曲线如图22所示，BQ2057的充电分为三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。 2.2.1 预充阶段在安装好电池并加上电源后，BQ2057首先检查工作电压VCC，当工作电压过低时充电器进入睡眠模式，若工作电压正常，则检查电池温度是否在设定范围，若不正常则进入温度故障模式，否则检测电池电压VBAT，当电池电压VBAT低于

9、低压门限V(min)时，BQ2057以恒流IREG10的电流IPRE对电池预充电， 2.2.2 恒流充电 在完成对电池预充或电池电压VBAT低于恒压VREG时，BQ2057进入恒流充电状态，此时由外部的感测电阻RSNS上的压降监控充电电流，该电阻可采取高/低边的连接方式，在高边电流检测中RSNS接在VCC和SNS引脚间，在低边电流检测中RSNS接在VSS和SNS引脚间，如图24所示，通过SNS引脚获得充电电流的反馈，感测电阻由公式（1）计算：其中IREG为预期的充电电流，VSNS可在BQ2057的电特性表中查得。 2.2.3 恒压充电 当充电电压达到恒压VREG时进入恒压充电状态。在整个工作温

10、度和工作电压范围内，恒压精度高于1%，BQ2057通过VBAT和VSS引脚监测电池组电压，当充电电流达到终止门限I(TERM)时停止充电，当电池电压低于重新充电门限电压V(RCH)时自动开始重新充电。BQ2057除了能实现标准的4.1V、4.2V、8.2V和8.4V电压充电外，还可以通过分压实现对非标准电压充电，其方法是用分压电阻实现的电池分压值作为BAT引脚的输入，如图24所示。 2.3 电池温度监测 BQ2057通过测量TS与VSS引脚间的电压实现对电池组温度的连续监测，常用热敏电阻作为温度传感器，并通过分压电阻实现，如图31所示。分压电阻的阻值可根据参数计算。BQ2057将该电压与内部的

11、V(TS1)和V(TS2)门限电压比较以决定是否允许充电。由于外部分压及内部门限电压均以VCC为参考，保证了温度检测电路不受工作电源VCC的波动影响。当把TS引脚连到VCC或VSS时，可以禁止BQ2057的充电功能。 2.4 充电状态指示 BQ2057通过三态引脚STAT报告当前的充电状态：充电状态高电平、充电完成低电平、温度故障或睡眠状态高阻态。当将STAT引脚与单LED或双LED反接方式连接时，可实现充电状态的LED指示，也可以将STAT口与仪器微控制器接口，微控制器通过识别STAT口的三种状态实现仪器的智能管理。 3典型充电器电路设计 利用BQ2057设计的充电器电路简单，采用BQ205

12、7设计的锂电池充电电路可实现对1节或两节锂电池的充电，工作电源DC+根据充电锂电池组的电压选择，推荐工作电压4.5V18V，电池组的正端电压PACK+接BAT引脚，TS引脚检测电池组的热敏电阻NTC通过分压电阻后的分压值，以此判断温度是否正常，BQ2057可设计由PNP晶体管或P沟道MOSFET管充电，在选择时应满足功耗要求，采用PNP晶体管的充电电路参看图31，采用P沟道MOSFET管的充电电路参看图32。 锂电池的基本知识-特性、主要参数、型号的意义、应用范围及使用注意事项锂是一种金属元素，其化学符号为Li(其英文名为lithium)，是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属，在金属中是

13、最轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃(电视机上用的荧光屏玻璃)及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极。锂电池也分成两大类：不可充电的及可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能(或者还原性能极差)。而可充电的电池称为二次性电池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如电能化学能锂电池的主要特点灵巧型便携式电子产品要求尺寸小、重量轻，但电池的尺寸及重量与其它电子元器件相比往往是最大的及最重的。例如，想当年的“大哥大”是相当“粗大、笨重”，而今天的手机是如此的轻巧。其

14、中电池的改进是起了重要作用的：过去是镍镉电池，现在是锂离子电池。锂电池的最大特点是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升(体积单位)。这里举一个例来说明：5号镍镉电池的额定电压为1.2V，其容量为800mAh，则其能量为0.96Wh(1.2V0.8Ah)。同样尺寸的5号锂二氧化锰电池的额定电压为3V，其容量为1200mAh，则其能量为3.6Wh。这两种电池的体积是相同的，则锂二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍!一节5号镍镉电池约重23g，而一节5号锂二氧化锰电

15、池约重18g。一节锂二氧化锰电池为3V，而两节镍镉电池才2.4V。所以采用锂电池时电池数量少(使便携式电子产品体积减小、重量减轻)，并且电池的工作寿命长。另外，锂电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。锂电池的缺点是价格昂贵，所以目前尚不能普遍应用，主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。随着技术的发展、工艺的改进及生产量的增加，锂电池的价格将会不断地下降，应用上也会更普遍。一、不可充电的锂电池不可充电的锂电池有多种，目前常用的有锂二氧化锰电池、锂亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。本文仅介绍前两种最常用的。1、锂

16、二氧化锰电池(LiMnO2)锂二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极，并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高，额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍)；终止放电电压为2V；比能量大(见上面举的例子)；放电电压稳定可靠；有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率2)；工作温度范围2060。该电池可以做成不同的外形以满足不同要求，它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。圆柱形的也有不同的直径及高度尺寸。这里列举大家较熟悉的1(尺寸代码D)、2(尺寸代码C)及5(尺寸代码AA)电池的主要参数，如表1所示。型号中的CR表示为圆柱形锂二氧化锰电池；五位数字中，前两

17、位表示电池的直径,后三位表示带一位小数的高度。例如，CR14505，其直径为14mm，高度为50.5mm(这种型号是通用的)。这里要指出的是不同工厂生产的同型号的电池其参数可能有些差别。另外，表1中的标准放电电流值是较小的，实际放电电流可以大于标准放电电流，并且连续放电及脉冲放电的允许放电电流也不同，由电池厂提供有关数据。照相机中用的锂电池多半是锂二氧化锰电池。这里将照相机中常用的锂二氧化锰电池列入表2，供参考。纽扣式(扣式)电池尺寸较小，其直径为125245mm，高度为1650mm。几种较常用的扣式电池如表3所示。表3中的型号CR为圆柱形锂二氧化锰电池，后四位数字中前两位为电池的直径尺寸，后

18、两位为带小数点的高度尺寸。例如，CR1220的直径为125mm(不包括小数点后的数)，其高度为20mm。这种型号表示方法是国际通用的。这种扣式电池常用于时钟、计算器、电子记事本、照相机、助听器、电子游戏机、IC卡、备用电源等。2锂亚硫酰氯电池(LiSOCl2)锂亚硫酰氯电池是比能量最高的一种，目前可达到500Wh/kg或1000Wh/L的水平。它的额定电压是3.6V，以中等电流放电时具有极其平坦的3.4V放电特性(可在90容量范围内平坦地放电，保持不大的变化)。电池可以在4085范围内工作，但在40时的容量约为常温容量的50。自放电率低(年自放电率1)、储存寿命长达10年以上。常见的1、2及5

19、圆柱形锂亚硫酰氯电池的参数如表4所示。以1(尺寸代码D)镍镉电池与1锂亚硫酰氯电池的比能量作一个比较：1镍镉电池的额定电压为12V，容量为5000mAh；1锂亚硫酰氯的额定电压为36V，容量为10000mAh，则后者的比能量比前者大6倍!应用注意事项上述两种锂电池是一次性电池，不可充电(充电时有危险!)；电池正负极之间不可短路；不可以过大电流放电(超过最大放电电流放电)；电池使用至终止放电电压时，应从电子产品中及时取出；用完的电池不可挤压、焚烧及拆卸；不可超过规定温度范围使用。二、可充电的锂电池可充电的锂电池有多种，如锂-钒氧化物电池，锂离子电池及国外新开发的锂-聚合物电池等。这里仅介绍前两种

20、，重点介绍锂离子电池。可充电锂离子电池是目前手机中应用最广泛的电池，但它较为“娇气”，在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。 锂离子电池充电要求很高，要保证终止电压精度在1%之内，目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC，以保证安全、可靠、快速地充电。1. 锂-钒氧化物电池(Li-V6O13)锂-钒氧化物电池以锂为阳极、钒氧化物为阴极、无机盐的有机溶剂为电解质组成。它的特点是可以充电。由于锂-钒氧化物电池的额定电压仅为2.8V，而且额定容量也小，故与其它两种锂电池相比，其比能量是最小的。该类圆柱形电池的主要参数如表

21、6所示。从表6可看出，其充电次数(循环寿命)也不长，所以这种可充电电池不久就由锂离子电池替代了。2. 锂离子电池(Li-Ion)锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，并且有由几个电池串联在一起组成的电池组。锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：阳极材料为石墨的4.2V；阳极材料为焦炭的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。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。锂离子电池的终止放电电压为2.5V2.75V(电池厂给出工作电

22、压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同)。低于终止放电电压继续放电称为过放，过放对电池会有损害。锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。 锂离子电池对温度有一定要求，工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。 锂离子电池对充电的要求是很高的，它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的1%(例如，充4.2V的锂离子电池，其允差为0.042V)，过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发

23、生过流(过热)。一般常用的充电率为0.25C1C（C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA）。在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止过热损坏电池或产生爆炸。锂离子电池充电分为两个阶段：先恒流充电，到接近终止电压时改为恒压充电。例如800mAh容量的电池，其终止充电电压为4.2V。电池以800mA(充电率为1C)恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4.2V时，改成4.2V恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1/10C(约80mA)时，认为接近充满，可以终止充电(有的充电器到1/10C后启动定时器，过一定时间后结束充电)。三、锂离子电池

24、保护元件及保护电路锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用寿命。为此，开发出各种保护元件及由保护IC组成的保护电路。它安装在电池或电池组中，使电池获得完善的保护。1. 正温度系数聚合物保护元件Tyco公司最近推出了VLR230(512mm)及VLR170(3.610mm)自复式条状保护元件，它专门用于锂离子电池或镍氢电池组作过流或过热保护。它在正常温度时自身电阻极低(如VLR230的阻值为0.015)，一旦超过阈值电流或阈值温度，电阻会急剧升高而起到保护作用(该保护元件串联在电池电路中，有的安装在电池中)。这种保护元件在有短路及过充或过放情况发生时，产生

25、大量的热使电池温度升高，由于保护元件的高阻抗而得到保护。当故障排除或断开电路时，它有自复作用(即回到低阻抗)。在60以下VLR170可提供700mA、VLR230可提供900mA充电或放电电流。两元件耐压均为12V。2. 锂离子保护器ICTexas公司最近开发出内部集成了MOSFET开关的锂离子电池保护器IC，其尺寸仅为4.553.440.88mm(型号为VCC3952A)，它适用于4mm厚的手机锂离子电池作保护用。它外部仅需要一个0.1F的表面贴装式电容。器件工作电流5A，可通过3A电流，有4.2V4.35V四个标准过压电压。它还可用于单锂离子电池中。本刊2000年第5期发表了“锂-离子电池

26、保护器ICAIC1811”一文。该文较详细地介绍了它的工作原理及有关电路，这里不再介绍。Dallas公司开发了高精度锂离子电池监控器DS2760。它包括一个锂离子电池保护电路及一个25m的电流敏感电阻(电流检测电阻)，该器件是3.252.75mm管芯封装。其中有10位电流A/D变换器、10位电压A/D变换器、一个正负10位温度传感器及EEPROM等。它采用单线与主系统通信来控制电池的充、放电，全面地保护锂离子电池。有兴趣的读者可从网上查阅该监控器的有关内容(网址：)。四、注意事项锂离子电池应用注意事项除与上述不可充电的锂电池相同外，在充电方面还应注意以下几点：1. 锂离子电池有4.1V及4.2

27、V终止充电的不同品种，因此在充电时注意的是4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电，否则会有过充的危险(4.1V与4.2V的充电器用的充电器IC是不同的)。2. 对电池充电时，其环境温度不能超过产品特性表中所列的温度范围。3. 不能反向充电。4. 不能用充镍镉电池的充电器来充锂离子电池，充电方式不同，容易造成过充。在放电方面应注意以下几点：1. 锂离子电池放电电流不能超过产品特性表中给出最大放电电流。放电电流较大时，会产生较高的温度(损耗能量)，减少放电时间，若电池中无保护元件会产生过热而损坏电池。2. 不同温度下放电曲线是不同的。在-20放电时情况最差。在贮存方面：1. 电池若长期贮存，要保

28、持在50%放电态。2. 电池应保存在低温、干燥坏境中。3. 要远离热源，也不要置于阳光直射的地方。锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。EDN电子设计技术今日电子电子产品世界电子设计应用世界产品与技术电子技术应用亚太电子商情世界电子元器件日经BP电子科技电子制造基于MAX846A的锂离子电池充电器摘 要：本文介绍一种基于MAX846A的锂离子电池充电器的设计，并对电路的特性以及充电参数的设置进行了分析。关键词：锂离子电池；充电器；MAX846A引言便携式电子产品的迅猛发展促进

29、了电池技术的更新换代，其中锂离子电池以高能量密度、高内阻、高电池电压、高循环次数、低自放电率等特性脱颖而出，迅速地成为市场的主流。虽然锂离子电池有以上种种优点和良好的市场前景，但它对充电电路的要求比较高，在使用过程中要避免出现过充电和过放电的现象。锂离子电池的充电过程如图1所示，在一个充电周期内，锂电池在充电开始之前需要检测电池的电压和温度，判断是否可充电，如果电池电压或温度超出允许范围，则禁止充电。每节电池的允许充电电压为2.54.2V，温度为2.550。在电池处于深放电的情况下，必须要求充电器具有预充过程，使电池满足快速充电的条件，然后根据电池厂商推荐的快速充电速度对电池进行恒流充电，电池

30、电压缓慢上升；一旦电池电压达到所设定的终止电压(一般为4.1V或4.2V)，恒流充电终止，充电电流快速衰减，充电进入满充过程；在满充过程中，充电电流逐渐衰减，直到满充时间超时，转入顶端截止充电；顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补充能量；顶端截止充电一段时间后，关闭充电。MAX846A介绍MAXIM公司的MAX846A是一种低成本、多功能的电池充电控制器，采用16脚的QSOP封装，可为锂电池、镍氢、镍镉电池进行充电。MAX846A的引脚排列见图2，主要引脚功能如下。DCIN：外部直流电源输入端，3.720V。VL：3.3V、20mA、1%线性调节器输出端。CCI：电流调节环补偿端。C

31、CV：电压调节环补偿端。VSET：悬浮电压参考调整输入端。ISET：电流设置输入及监控端。OFFV：电压调节环禁止端。CELL2：编程充电电源数目端。BATT：电池输入端。CS+：电流源放大器高压输入端。CS-：电流源放大器低压输入端。DRV：外接三极管基准/门控输出端。MAX846A的结构MAX846A由3.3V高精度、低压差线性稳压电源，高精度电压基准和电压/电流调节器三部分构成。线性稳压电源的输出电压VL是基准电压的2倍，可为外部负载提供20mA的电流，并微控制器提供复位信号并抑制充电电流。高精度电压基准源可为锂离子电池提供精确的浮充电压，它与一个精度为2%的20k电阻相连接，使浮充电压

32、可通过一外部电阻设置。应具有1%的精度，因为它直接影响浮充电压的精度，而浮充电压的精度对锂离子电池的寿命及容量起决定作用。电压/电流调节器由高精度衰减器、电压环路、电流环路、电流检测放大器组成。衰减器可通过引脚设置使电压稳定为一节锂电池电压或两节锂电池电压(对应电压为4.2V或8.4V)。电流检测放大器检测电池的高端电流，它实际上是一个跨导放大器，可将外部限流电阻RCS上的电压转换成电流，并将此电流作用于外部负载电阻RISET，通过改变RCS与RISET可以调节充电电流，也可通过改变RISET的低端电压或增大/减小ISET端的电流进行调整。电压和电流环路分别由连接在CCV和CCI端的外部电容进行补偿校正，两个环路的输出通过逻辑“或”后，驱动一只漏极开路的内置N沟道MOS