智能鋰離子電池充電器的設計與實現

張端　王群群

摘要：目前，我國的經濟發展迅速，智能化建設的發展也有了很大的改善。鋰離子充電器是給鋰離子電池充電的設備，對n*3.6V（n=1，2，3，4）多規格的鋰離子電池，不同手機等電子產品一般匹配多套充電設備，而且充電器不具兼容性、充電速度慢，缺乏充電監測功能，不能篩選已經失效的或者故障的電池，電池充電的各種狀態以人的監控為主。此類普通鋰離子充電器兼容性差、穩定性低、極易對鋰離子電池過充引起電池內部損耗、對損耗大的電池充電甚至有爆炸的潛在危險。

關鍵詞：智能鋰離子;電池充電器;設計與實現

引言

鋰電池可以分為一次性電池和可充電電池，其中可充電電池又分為鋰離子電池和聚合物電池。鋰離子電池具有放電電壓平穩、使用壽命長、適用范圍大的特點，因而在便攜式電子產品中得到廣泛使用。目前，市場上低成本的鋰離子電池充電器良莠不齊，一些產品在額定電，放電性能，安全性保護性能方面存在質量問題，這些質量問題會影響到電子產品的正常使用，嚴重時還可能給消費者帶來人身傷害。為此，有必要設計安全性能高，使用方便的智能鋰離子電池充電器。

1鋰電池理論知識

鋰電池充電最經典的理論是馬斯三定律，目前，針對各種類型的鋰電池充電器的設計都以此為基礎進行研究。其中，1）對于任何給定的放電電流，蓄電池充電時的電流接受比a與電池放出的容量的平方根成反比;2）對于任何給定的放電量，蓄電池充電電流接受比a與放電電流Id的對數成正比;3）蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It（接受能力）是各個放電率下的允許充電電流的總和。

2優化措施分析

2.1充電曲線設計

鋰電池充電器的充電流程主要包含恒流充電、恒壓充電及脈沖充電3部分，并在充電初始階段進行電池評估，充電結束后進行電池性能判斷及維護。在充電過程中，充電電壓及電流根據電池實時狀態進行動態調整，以期維持電池性能動態平衡過程。充電器的電壓與電流輸出是由硬件控制，但動態平衡調整則由軟件來完成。本系統智能充電器的充電流程如下：1）電池評估階段：充電器上電后，打開充電開關，進入電池評估階段;讀取當前電池電壓，判斷電池電壓是否低于閾值，如果低于設定閾值，則充電器首先進行一段保護充電過程，直到電池電壓高于閾值后，停止充電一段時間，重新開始進行1）。對12V充電器，閾值一般選擇10V。2）恒流充電：恒流充電是鋰電池充電過程的主要部分，充電電流一般選擇0.2C左右，這個電流也是保護電池特性與保證充電安全的最佳值。一般選擇充電3個小時，可以將電池充電至70%以上，保證電池容量的最大化;當電池電壓達到13V時，充電流程跳出恒流充電，進入3）。3）恒壓充電：充電器輸出電壓為13V，此時，電流逐漸減小，直至減小到0.01C左右，充電結束，可保證電池充電至少至95%以上，進入4）。4）脈沖充電：電池此時已接近充滿，為避免充電器斷開后電池自放電導致的電池容量損耗，充電器每隔一段時間關閉繼器，以小電流為其脈沖充電，以保證電池容量充足。該過程持續10小時后，充電器斷開，進入步驟5）。5）維護充電：充電器此時進入睡眠狀態，僅電池電壓采樣AD端口間隔時間工作，當電池電壓值低于12.5V以下時，充電器重新喚醒，充電流程重新進入1）。

2.2軟件設計

根據電池電壓的狀態，把充電過程分為：空閑階段、涓流充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段和滿電階段。在不同的充電階段，不僅設置了合理的充電電流還增加了弱充電器、壞充電器、壞電池、電池溫度過高等異常情況的檢測與處理。軟件設計的目的是在保證充電安全的基礎上，盡量縮短充電時間，提高充電效率。為了更好地說明整個充電過程，本文用充電狀態來表示充電階段，不同的充電狀態表示不同的充電階段。恒流充電階段：以恒定的充電電流對電池進行充電，是整個充電過程中一個比較重要的階段，此階段完成了電池從低電狀態到接近滿電狀態的轉變，此階段約完成70%的充電容量。它的主要作用是讓電池快速充電，縮短充電時間。恒壓充電階段：充電芯片以恒定的充電電壓對電池充電，充電電流隨著電池電壓的升高而逐漸降低。它的作用是使充電的安全性和電池的充滿度達到最大。滿電狀態：標志電池充滿的狀態，是一個不充電的狀態。各個充電階段都需要實時監測充電過程的異常，當充電器電壓、電池電壓、電池溫度不滿足充電條件時，就進入了異常處理狀態。

2.3充電流程

12V鋰電池在充電過程中的最高電壓為14.2V，與傳統的鉛酸蓄電池的額定電壓14.4V稍低;并且最大充電電流不超過0.2C，防止過壓過流導致鋰電流內部離子失衡而引起電池失效。在充電過程中，恒流充電至電池容量的50%～70%時，充電流程可轉變為恒壓充電模式，此時，電流逐步下降，當充電至95%左右時，可停止充電。此時，充電的主要流程結果，采用補充維護充電或脈沖充電來繼續增加電池容量，直至100%。在充電過程中，如果遇到失效電池，即電池電壓已不受充電器控制，在電池恒壓充電后，可在一段時間內判斷電池是否失效;若電池初始電壓不足，則需要用小電流持續充電，直到電池電壓超過一定值，再重新充電。鋰電池充電器在充電過程中，不僅時刻監測電壓、電流值，并且具有溫度保護與過壓過流保護功能，通過溫度值與電壓電流值的采集，與控制器內設定閾值比較，達到充電流程與反饋相結合，再經過調整匹配，達到最佳充電狀態。

2.4MAX1898智能充電電路設計

MAX1898是MAXIM公司生產的線性鋰電池充電芯片，充電芯片MAX1898內部電路包括輸入電流調節器電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器和主控制器。外部接晶體管PNP或PMOS組成一個鋰離子充電器，可精確地恒流/恒壓充電，電池電壓精度可達±0.75%。由該款芯片構成的典型充電電路如圖1所示。通過外接的場效應管提供鋰電池的充電接口。通過外接的電容CCT來設置充電時間TCHG。這里的充電時間指的是快充時的最大充電時間，它和定時電容CCT的關系如下式所示：CCT=34.33×TCHG（TCHG的單位小時，CCT的單位為nF）大多數情況下快充時最大充電時間不超過3小時，因此常取CCT為100nF。MAX1898能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關斷以減少電池的漏電，啟動快充后，打開外接的P型場效應管，當檢測到電池電壓到達設定的門限時進入脈沖充電方式，P型場效應管打開時JI時間會越來越短。

結語

文中通過對鋰電池及智能充電的研究，設計一款可在線調試與下載程序的智能鋰電池充電器，對充電器的硬件進行了選擇與設計，并重新設計充電流程;智能充電器通過閉環拓撲反饋控制，實時動態調整充電電壓與充電電流。實驗結果表明：該智能充電器充電過程完整，適合工業批量生產。

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