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          電源工程師設(shè)計全攻略(三):充電電路設(shè)計

          作者: 時間:2017-10-31 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            一、鋰電池充電原理

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/369668.htm

            鋰離子電池的充電過程可以分為四個階段:(低壓預(yù)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,簡化充電器的操作,其中包括給過放電的電池使用、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啟動充電等。

            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(yù)充電,充電電流為設(shè)定電流的1/10,電壓升到3V后,進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電 過程。標(biāo)準(zhǔn)充電過程為:以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電,電池電壓升到4.20V時,改為恒壓充電,保持充電電壓為 4.20V。此時,充電電流逐漸下降,當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時,充電結(jié)束。下圖為充電曲線

            圖1

            圖2

            階段1:——涓流充電用來先對完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電,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(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時,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。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高,一般單節(jié)電池設(shè)定的此電壓為3.0-4.2V.

            階段3:恒壓充電—— 當(dāng)電池電壓上升到4.2V時,恒流充電結(jié)束,開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度,隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少,當(dāng)減小到0.01C時,認(rèn)為充電終止。(C是以電池標(biāo)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。)

            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器(或者兩者的結(jié)合)。最小電流法監(jiān)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范圍時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計時,持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。

            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。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,其陽極為石墨晶體,陰極通常為二氧化鈷鋰,在充放電反應(yīng)中,鋰永遠(yuǎn)以離子形態(tài)出現(xiàn),所以這種電池稱為鋰離子電池。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(dá)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(yán)格保持在4.1V±50mV,若超過4.5V,可造成永久性破壞。其放電電壓不得低于2.2V,否則也會造成永久性破壞。最簡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(dāng)電池組電壓低于8.4V時,LM3420輸出端(OUT)無輸出電流,晶體三極管VT2截止,因此,電壓可調(diào)穩(wěn)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。充電過程中,電池電壓不斷上升。電池電壓被LM3420的輸入腳(NI)檢測,當(dāng)電池電壓升到8.4V時,LM3420開始輸出電流,使VT2開始控制LM317的輸出電壓,充電器轉(zhuǎn)入恒壓充電過程,電池電壓穩(wěn)定在8.4V,充電器轉(zhuǎn)入恒壓充電過程,電池電壓穩(wěn)定在8.4V,此后充電電流開始減小,充足電后,充電電流下降到涓流充電。當(dāng)輸入電壓中斷后,晶體三極管VT1截止,電池組與LM3420斷開。二極管VD可避免電池通過LM317放電。

            2、全自動鎘鎳電池充電器

            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(yīng),其主要作用是增強(qiáng)導(dǎo)電性。負(fù)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(kuò)散性,防止結(jié)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(fù)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。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(dāng)電池充足電時,充電電流將自動減至8mA,同時用發(fā)光管指示充電結(jié)束,并給電池提供涓細(xì)電流,維持電量。因而不會產(chǎn)生過充及欠充現(xiàn)象,從而延長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(jié)束指示。充電部分采用三端穩(wěn)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(dāng)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(dāng)電池充足時,電池兩端的電壓上升至一固定值(單只1.4~1.55V),導(dǎo)致晶閘管VS導(dǎo)通使VD6發(fā)光,且VT2隨之飽和導(dǎo)通導(dǎo)致VT1五偏置電流而截止。這是電池的充電電流只剩下流過VD5的三端穩(wěn)壓塊的靜態(tài)電流,月8mA左右,因而電池不會被過充。

            調(diào)試:用充足的鎘鎳電池代替代充電池,仔細(xì)調(diào)節(jié)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(shè)計(一)

            1、簡易充電電路

            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6V,為相互獨(dú)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(xiàn)在家用可調(diào)穩(wěn)壓電源已經(jīng)很普及了,如果照圖(2)做一個附加器,便可增加充電功能。此充電器可以在不影響調(diào)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、電動自行車電池快速充電器

            這里介紹的電動自行車的蓄電池快速充電器,其充電量可達(dá)普通充電電池容量的95%,充電時間僅用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(dāng)交流電第一個正半周到來時,V1經(jīng)VD1半波整流后取得同步電壓觸發(fā)VS1導(dǎo)通。V2經(jīng)橋式整流器VD3~VD6,通過VS1對電動自行車蓄電池GB充電,當(dāng)交流電過零時,VS1自動關(guān)斷;在過零后的第一個負(fù)半周到來時,V3經(jīng)VD7半波整流,取得觸發(fā)電壓使VS2導(dǎo)通,于是GB便通過VS2對電容C1充電,當(dāng)C1兩端電壓上升到與電池GB兩端電壓接近,且L3交流電壓過零時,VS2自動關(guān)斷,停止放電。此時電容C1便通過電位器RP、電阻R3泄放,為下一期充電作準(zhǔn)備。當(dāng)電源第二個正半周到來時,VS1又被觸發(fā)導(dǎo)通對GB進(jìn)行充電。如此周而復(fù)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(dá)到80~85%時減少充電電流,以便保護(hù)蓄電池,電路中采用了三極管VT和電位器RP構(gòu)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電池端電壓升高的現(xiàn)象。制作過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(shè)計(二)

            1、 手機(jī)萬能充電器電路圖

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

            該充電器采用了RCC型開關(guān)電源,即振蕩抑制型變換器,它與PWM型開關(guān)電源有一定的區(qū)別。PWM型開關(guān)電源由獨(dú)立的取樣誤差放大器和直流放大器組 成脈寬調(diào)制系統(tǒng);而RCC型開關(guān)電源只是由穩(wěn)壓器組成電平開關(guān),控制過程為振蕩狀態(tài)和抑制狀態(tài)。由于PWM型開關(guān)電源中的開關(guān)管總是周期性的通斷,系統(tǒng)控 制只是改變每個周期的脈沖寬度,而RCC型開關(guān)電源的控制過程并非線性連續(xù)變化,它只有兩個狀態(tài):當(dāng)開關(guān)電源輸出電壓超過額定值時,脈沖控制器輸出低電 平,開關(guān)管截止;當(dāng)開關(guān)電源輸出電壓低于額定值時,脈沖控制器輸出高電平,開關(guān)管導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載電流減小時,濾波電容放電時間延長,輸出電壓不會很快降低, 開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài),直到輸出電壓降低到額定值以下,開關(guān)管才會再次導(dǎo)通。開關(guān)管的截止時間取決于負(fù)載電流的大小。開關(guān)管的導(dǎo)通/截止由電平開關(guān)從輸出電 壓取樣進(jìn)行控制。因此這種電源也稱非周期性開關(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300V左右的直流電壓。由 V2和開關(guān)變壓器組成間歇振蕩器。開機(jī)后,300V直流電壓經(jīng)過變壓器初級加到V2的集電極,同時該電壓還經(jīng)啟動電阻R2為V2的基極提供一個偏置電壓。 由于正反饋?zhàn)饔茫琕2 Ic 迅速上升而飽和,在V2進(jìn)入截止期間,開關(guān)變壓器次級繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使VD7導(dǎo)通,向負(fù)載輸出一個9V左右的直流電壓。開關(guān)變壓器的反饋繞組產(chǎn)生的感 應(yīng)脈沖經(jīng)VD5整流、C1濾波后產(chǎn)生一個與振蕩脈沖個數(shù)呈正比的直流電壓。此電壓若超過穩(wěn)壓管VD17的穩(wěn)壓值,VD17便導(dǎo)通,此負(fù)極性整流電壓便加在 V2的基極,使其迅速截止。V2的截止時間與其輸出電壓呈反比。VD17的導(dǎo)通/截止直接受電網(wǎng)電壓和負(fù)載的影響。電網(wǎng)電壓越低或負(fù)載電流越大,VD17 的導(dǎo)通時間越短,V2的導(dǎo)通時間越長,反之,電網(wǎng)電壓越高或負(fù)載電流越小,VD5的整流電壓越高,VD17的導(dǎo)通時間越長,V2的導(dǎo)通時間越短。V1是過 流保護(hù)管,R5是V2Ie的取樣電阻。當(dāng)V2Ie過大時,R5上的電壓降使V1導(dǎo)通,V2截止,可有效消除開機(jī)瞬間的沖擊電流,同時對VD17的控制功能 也是一種補(bǔ)償。VD17以電壓取樣來控制V2的振蕩時間,而V1是以電流取樣來控制V2振蕩時間的。

            2、智能型太陽能充電電路

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

            智能型太陽能充電電路設(shè)計主電路

            太陽能組件產(chǎn)生的電能,一路經(jīng)過開關(guān)變壓器T1 的122繞組加至開關(guān)管Q1 的集電極( c) ,另一路經(jīng)過R1 為Q1 提供基極電壓。 當(dāng)基極( b)的電壓為高電平時, Q1 開始導(dǎo)通,變壓器T1 的122繞組中產(chǎn)生1正2 負(fù)的電動勢,經(jīng)T1 耦合,在T1 的324繞組中產(chǎn)生3正4負(fù)的感應(yīng)電動勢,此電動勢經(jīng)R5 , C2 疊加到Q1的基極( b) ,使Q1 迅速飽和導(dǎo)通。 由于變壓器T1 的122間的電流不能突變,在此過程中會產(chǎn)生1負(fù)2正的電動勢。 變壓器T1 的324繞組中感應(yīng)出3負(fù)4正的電動勢,通過R5 , C2 ,使Q1 迅速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 經(jīng)R1 對C2 的不斷充電, Q1 又開始導(dǎo)通,進(jìn)入下一輪的開關(guān)振蕩狀態(tài)。 在導(dǎo)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(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管D0、三極管Q2 等元件組成。 當(dāng)負(fù)載減輕或太陽能組件輸出電壓升高時, A 點(diǎn)電壓上升。 當(dāng)該電壓大于511V 時, D0 擊穿, Q2 因b2e結(jié)正向偏置而迅速導(dǎo)通,使Q1 提前截止,從而使輸出電壓趨于下降;反之,則控制過程相反,從而使變壓器T1 副邊輸出電壓基本穩(wěn)定。 當(dāng)負(fù)載過重時, Q1 的c2e電流增大, R4 上的壓降也隨之增大。 當(dāng)該電壓大于017V 時, Q2 導(dǎo)通, Q1 截止,達(dá)到過流保護(hù)的目的。 為避免截止期間變壓器T1 的122 繞組感應(yīng)出的尖峰脈沖擊穿開關(guān)管Q1 ,并聯(lián)了尖峰脈沖吸收電路。

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

            不日上線,敬請期待!



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