• 电源小白入门学习6——锂离子电池特性及充电电路


    锂离子电池

    锂离子电池是一种常见的可充电电池类型,主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。在充放电过程中,锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。具有高能量密度、轻量化、无记忆效应、低自放电率、快速充电等优点,通过在正负极添加不同的导电材料,可形成不同的锂离子电池,在能量密度、转换效率、安全性和成本方面也存在差异。广泛应用于移动设备、电动汽车、无人机、电动工具等领域。
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    • 锂离子电池的标准电压是3.7V;充电截止电压为4.2V;放电截止电压根据放电体系的不同,一般在2.5V-3.0V之间.
    • 锂离子电池目前使用最广泛的为18650电池和锂聚合物电池两种。

    简单解释一下锂离子电池的各个电压:
    标准电压:这个一般是厂商告诉我们的,但是由锂例子电池的充放电体系决定,一般都是3.7V,这个不同太过纠结。
    充电截止电压:值得是电池电池充电的最大电压,当电池充到这个电压,表示电池已经基本充满了。超过这个电压充电,叫做过充,会对电池容量造成损坏。
    放电截止电压:电池电压会随着电池放电而下降,当电池放电电压下降至截止电压,表示电压以及放电完了,此时再继续放电,叫做过放,同样会对电池容量造成损坏。

    18650电池

    • 18650电池是一种锂离子电池的规格标准,其名称来源于其尺寸:直径约18毫米,长度约65毫米,最后的“0”表示它是圆柱形状的电池。这种电池通常被用于各种便携式设备,如手电筒、笔记本电脑电池组、电动工具等,也常用于DIY电池组装和电动车辆中。

    • 18650电池通常具有较高的能量密度和较大的容量,因此在一定程度上可以提供持久的电力支持。它们也经常用于电动汽车的电池组,尤其是早期的电动车型。

    • 然而,18650电池也有一些局限性,比如在高功率输出下可能会产生较多的热量,从而降低电池的寿命,同时也存在安全隐患。因此,在使用18650电池时需要注意合适的使用条件,并采取适当的安全措施。

    • 一般容量在3200mAh。
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    锂聚合物电池

    • 锂聚合物电池是一种锂离子电池的类型,与传统的液态电解质不同,它使用固态或凝胶状的聚合物作为电解质。这种设计使得电池更轻、更薄,并且更加安全,因为聚合物电解质相比液态电解质更不容易泄漏或起火。

    • 锂聚合物电池通常用于便携式电子设备,如智能手机、平板电脑和便携式电子产品,因为它们可以更好地适应这些设备的形状和尺寸需求。此外,锂聚合物电池还被广泛应用于无人机、电动车辆和储能系统等领域。

    • 与传统的液态锂离子电池相比,锂聚合物电池通常具有更高的能量密度、更低的自放电率和更长的寿命。然而,它们也可能更昂贵,并且在高功率应用中的性能可能不如液态锂离子电池。

    • 锂聚合物的电池容量和体积、形状都有关,且锂聚合物电池的形状多样,可以做的很薄,理论上可以做到0.5mm。

    锂电池的放电曲线

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    这个一个我从网上随便找的锂电池放电曲线,我们来简单的分析一下:

    • 随着电池的放电,电池电压和放电电流都会有所下降,且放电电流与电池电压和放电时间围成的面积 = 电池容量,所以在电池放电至2.76V时,电池已经完全放电。
    • 且由于此电池容量比较小,不到200mAh,应该是我们刚才提到的锂聚合物电池。
    • 对于18650电池来说,电池容量和放电电流应该远大于这个电池,

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    就是一个18650电池的放电曲线,但这里是不同放电电流情况下放电电压随时间的变化,我们也可以得到一下内容:

    • 不同的放电电流,放电电压会有所变化,放电时间也会有变化,
    • 放电电流越大,放电电压越小,放电时间越短。
    • 同理,不同温度对电池容量也会有影响,在使用的过程中也需要考虑,这里就不展开介绍了。

    锂离子电池充电方法

    一个完整的锂电池充电周期,一般会经历以下三个阶段:

    1. 第一阶段:涓流充电,当电池电压小于3V时进行预充电,激活锂离子电池内部材料,典型充电电流在0.01C到0.1C之间
    2. 第二阶段:恒流充电,3V<电池电压<4.2V时进行恒流充电,电流在0.2C到1C之间
    3. 恒压充电:电池电压>4.2V时,恒压充电,控制充电电压为4.2V,电流会随之减少,直到充满。

    控制锂电池充满的停止充电的方式:

    1. timier定时器:进入恒压充电一段时间后停止充电。
    2. C/10停止:当充电电流减小至C/10一下时,停止充电。

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    常见的充电方案

    常见的充电方案有两种:线性充电器和开关充电器

    • 线性充电器:线性充电器的工作原理和LDO类似(不懂的可以去看一下:电源小白入门学习4——LDO的选择与使用技巧),内部有一个晶体管用作分压电阻。流过晶体管的电流=充电电流,缺点和LDO一样,效率低,发热量高,受限于输入电压,充电电流小,速度慢。

    以下是一些常见的线性充电芯片:

    TP4056: 这是一款经济实惠且广泛使用的单芯片锂电池充电管理芯片,适用于单节锂电池充电。

    MCP73831: 这是Microchip推出的一款小型、低成本的单芯片锂电池充电器,适用于单节锂电池充电。

    MAX1811: 这是Maxim Integrated推出的一款高效的单节锂电池充电器,具有集成的电流限制和电压截止功能。

    LT3650: 这是Linear Technology(现为ADI)推出的一款高效多化学品电池充电器,具有MPPT(最大功率点跟踪)功能,适用于多种类型的锂电池充电。

    BQ24075: 这是德州仪器(TI)推出的一款集成了电流限制和电压截止功能的锂电池充电器芯片,适用于单节锂电池充电。

    当还有很多的线性充电器芯片,这里就不做介绍了。下图是基于TP4056设计的一款电池充电电路,大家可以结合数据手册来看一下,我这里只做简单介绍。(数据手册链接
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    其中:

    • CHRG#是充电状态指示引脚:充电时为低电平,其他时候为高阻态;
    • STDBY#是充满状态指示引脚,电池充满是为低电平,其他时候为高阻态;
    • 当LED1和LED2都不亮时,CHRG#和STDBY#都是高阻态,此时芯片未工作;
    • TEMP作为温度检测引脚,当TEMP脚电压小于0.45VCC或大于0.8VCC时,芯片将停止工作;
    • PROG时恒流充电电流控制引脚:IBAT = (VPROG/RPROG)* 1200,在恒流充电阶段,VPROG = 1V ,预充电阶段,VPROG = 0.1V
    • CE作为芯片使能端,高电平时芯片正常工作。
    • 250mΩ电阻为热调节电阻,作用是使芯片在较高温度情况下,依然可以输出800mA的电流。

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    • 开关充电器:开关电源充电器是一种常见的充电器类型,与线性充电器相比具有效率高、充电速度快、稳定性好、适应性强等优势。开关电源充电器通过使用开关电源技术(DC-DC的工作原理,不懂的可以参考:电源小白入门学习5——BUCK、BOOST、BUCK-BOOST),将输入电压通过高频开关转换为稳定的直流电压,以实现对电池或其他充电设备的充电。

    以下是一些常见的开关充电器芯片:

    TP5410: 这是一款常见的单节锂电池充电管理芯片,具有高效的开关充电功能和多种安全保护功能。

    MCP73871: 这是Microchip推出的一款单节锂电池开关充电器,具有高效的开关充电和恒流/恒压充电模式。

    MAX846A: 这是Maxim Integrated推出的一款高效的单节锂电池充电管理芯片,具有集成的开关电源和充电管理功能。

    BQ24192: 这是德州仪器(TI)推出的一款高度集成的单节锂电池开关充电器,具有USB电源管理和可编程充电参数。

    LT3652: 这是Linear Technology(现为ADI)推出的一款多化学品电池充电器,具有MPPT功能和高效的开关充电器。

    由于这一部分的实践,我也没有进行过,所以这里我们先不讲,以后有时间再补充。

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