锂离子电池充电理论与实践

锂基电池是储存能量的通用方式;它们具有可充电电池中最高的能量密度和比能量（360至900kJ/kg）之一。

缺点是，与电容器或其他类型的电池不同，它们不能通过常规电源充电。它们需要充电到特定电压并且电流有限，否则它们会变成潜在的燃烧弹。

这不是开玩笑，在一个小而通常紧凑的封装设备中存储如此大量的能量可能非常危险。

但由于电池电压相对较高，它们在电子产品中非常有用：高能量密度、形状、尺寸和容量种类，以及它们的充电/放电效率。这就是他们几乎被用在所有电子产品上的原因。

由于它们是中小型便携式设备的最佳选择，因此它们在DIY社区中非常受欢迎。但是，如果您不想购买特定的充电器，充电仍然是使用它们时常见的问题。

通过这种讲解，您将学习如何使用广泛可用的组件和部件制造合适的锂离子电池充电器。更重要的是，您将学习它是如何工作的。

如果想跳过理论，并实际构建充电器，请跳至步骤6。

第一步理论知识

有许多不同类型的锂电池，但它们只是在使用的材料和架构上有所不同。科学家们更喜欢用化学名称和所用材料来命名电池，除非你是化学家，否则这些术语可能会让人感到困惑。上表通过列出这些电池的全名、化学定义、缩写和简写形式来提供清晰度。

不同类型的电池具有不同的特性和限制。

好处是大多数电池都以相同的方式充电，通常会发现和/或用于电池供电项目的常见电池。

首先，你需要知道什么是"C率"，因为它是电池使用的基础。

大多数电池都标有额定容量，以安培小时（Ah）或毫安小时（mAh）为单位。这基本上是它们在完全耗尽之前可以供应一小时的放电电流。

例如，你有一个标记为2400mAh或2.4Ah的大电池，这意味着它可以通过你的电路推动2.4A，并在一小时的时间内放电。这将是1C放电率，在额定容量电流下放电。

如果你的电池为一个电路提供1200mA电流，它将是0.5C的放电率，它应该持续两个小时。

有些电池的放电率高于1C，如果你能以4.8A（2C）的速度放电，它会持续30分钟。RC系统中使用的一些电池允许非常高的放电速率，如10或20C，但这种电池通常设计为失败而不是让您的飞机在飞行途中无动力，因此它们不是最安全的。

充电时，它基本相同，在1200mA的最大电流下为2400mAh电池充电将是0.5C的充电速率。出于安全原因，大多数电池应在0.5C和0.7C之间充电。

大多数锂离子电池每个电池充电至4.2v，较高的电压可能会增加容量，但会缩短使用寿命。较低的可以以较少的运行时间为代价来增加电池充电周期。

充电周期包括两个主要阶段;恒流或CC和电压源或CV，但有些充电器跳过或增加更多级。

当电池电压低于2.8-3v时，大多数电池被认为是过放电或耗尽电量，但即使在这种情况下，电池也可以再次充电并重复使用。为了节省它们，在充电之前完成"连接"阶段，在这个阶段，电池充电0.1C电流限制，直到达到3v

CC阶段。这是所有充电器使用的阶段，也是大多数快速充电器的唯一阶段。在恒流阶段，电池基本上连接到限流电源，通常限制在标称电池容量的0.5-0.7倍（即0.5到0.7C），直到电池电压达到4.2v。在此阶段结束时，电池电量约为70-80％。

CV阶段或饱和电荷。当电池每节电池达到4.2v时，充电器充当限压电源，电池电压保持在4.2v，充电电流逐渐下降。当充电电流在标记容量的3％到10％之间时，电池被认为是完全充电的。

收费。根据充电器和电池的自放电，可以每500小时或20天执行一次顶部充电。通常，当开路端电压降至4.05V/电池时充电开始，当再次达到4.20V/电池时关断。

通常，仅使用阶段2和3，并且完全充电可能需要2至4小时，具体取决于充电速率。

锂离子不需要完全充电，如铅酸的情况，也不希望这样做。事实上，最好不要完全充电，因为高压会对电池造成压力。选择较低的电压阈值或完全消除饱和电荷可延长电池寿命，但这会缩短运行时间。由于消费市场促进了最大运行时间，因此这些充电器需要最大容量而不是延长使用寿命。

第2步：设计充电器电路

大约一年前，我开始使用运算放大器，决定设计一个合适的锂离子电池充电器来学习使用它们。我在设计这个电路的过程中学到了很多关于运算放大器的知识，我想分享它，所以人们可以自己制作充电器而不是购买它们。

该电路使用流行的LM324运算放大器来创建电流和电压限制电源。在这种情况下，电流可通过约160至1600mA的电位计进行调节，从而可以为各种容量的电池充电。voltaje限制为4.2v，因此您不会损坏电池。

它有一个充电指示灯LED，在电池充电时会亮起，完成后会关闭。

我设计了这个电路，因此它使用广泛可用且便宜的通孔元件，因此任何人都可以构建它。

几乎所有通用运算放大器都可以使用，无需轨到轨操作，无需高频或高精度。

tip122晶体管可以替换为任何引脚兼容的晶体管，最小DC电流增益（Hfe）超过100，最大集电极电流（Ic）超过2A。

该电路的设计使任何具有基本焊接技能的人都可以轻松构建它。

第3步：电源

整个电池充电器由12v2A充电器供电，但由于LM324不是轨到轨运算放大器，我需要第二个电压轨，以允许运算放大器检测电压接近GND（小电流几乎没有电流）和输出足够低的电压，以便在不应该打开达林顿晶体管时。

注意控制电池两端的电流和电压的晶体管连接到电压轨而不是接地。这是因为LM324输出电压无法达到它的负电源电压，它只能在1.5-2v左右。在该电压下，达林顿晶体管将无法关闭，并且不会正确地限制电压和电流。

这就是为什么我使用四个运算放大器（IC1a）中的一个和一个晶体管在GND上创建一个虚拟的2.5V轨道，以吸收流过电路充电器部分的电流。

R2和R3是一个分压器，输出电压约为2.5V，具体取决于电阻器的容差，运算放大器驱动晶体管的方式与电流无关，2.5v总是会降低。

四个运算放大器和LED指示灯直接由12v电源供电，但电路的其余部分由9.5v供电;在12v和2.5v导轨之间。

如果您使用这种设计，但想要提高效率，可以使用轨到轨运算放大器和低压电源，这样您就不需要在额外的晶体管中产生额外的轨道浪费功率。

电源LED指示充电器何时开启，C2平滑充电器的电压。

第4步：实际充电器

这是充电器的重要部分，这是负责限制电池两端的电流和电压。在这种情况下，可以使用10k电位计选择充电电流，但无论电源电压如何变化，限制电压都将是固定的4.2v参考电压。

（你可以看到，在一般原理图中，电位器和R8和R9值高出一个数量级，这是因为我唯一的一个是100K的，但建议的值是10K，R8和9的是原理图中的那个）

左侧的运算放大器（IC1c）负责将电流限制为电位器的最大设置。由于检测电阻为1欧姆，因此其上的电压将与流过它的电流相同。

电位器位于1k电阻的顶部，电阻器上方有160mV的压降，因此电位器的最小输出电压为0.16v，在这种情况下，电路将限制最大电流为160mA，非常适合为300mAh电池充电。

电位器两端的电压降约为1.6V，因此最大电流限制将略高于1.6A。调节电位器可以获得0.16至1.6v之间的任何电压输出，这意味着最大电流限制在160和1600mA之间。

运算放大器将驱动晶体管，使检测电阻两端的电压与电位计输出相同。由于2.5V轨道，运算放大器将能够输出足够低的电压，几乎关闭晶体管并设置低电流限制。

在恒定电流阶段结束时，电池电压接近4.2v极限，超过该极限电池将被损坏，此时，电路的电压限制器部分开始并且恒定电压阶段开始。

4.7v齐纳二极管以及R10和11分压器在VCC（~12v）以下产生4.2v参考电压。当电池两端的电压达到4.2v时，第二个运算放大器（IC1d）开始将电压泵入第一个运算放大器的反相输入端，这样可以降低晶体管的输出电压，从而使电流流过电池开始下降以保持4.2V。

随着电池充电并且内部电阻增加，需要更少的电流来保持4.2V电流，因此电流将缓慢下降。当流过电池的电流低于标称容量的3-10％时，电池被认为是100％充电。

第5步：充电指示器

对电池完全充电可能需要2到4个小时，具体取决于充电速率（我建议保持在0.5到0.7C之间）。当流入电池的电流小于额定容量的3-10％时，电池100％充电，上面的电路将告诉我们何时发生这种情况。

第四个运算放大器（IC1b）用作比较器;在非反相输入端，它采用检测电阻两端的电压（超过2.5V轨），在恒压或饱和充电阶段将下降，并将其与电位器设定的电压的一小部分进行比较。

R15和16分压器输出设定电压的9％，并将参考电压馈入运算放大器的反相输入。

当检测电阻两端的电压（与流经电池的电流相同）降至分压器设定的基准电压以下时，in-的电压大于in+中的电压，因此运算放大器输出降至GND并关闭LED。

通过这种配置，LED在充电时打开，在电池充满电时关闭。如果您希望在充电完成时打开它，只需更换运算放大器输入引脚即可。

第6步：构建充电器

现在我们完成了理论，让我们真正构建充电器！

首先，您需要PCB，可以在线订购或DIY。当PCB准备好所有孔和镀锡焊盘时，是时候开始填充电路板了。

根据我的设计，所有组件都是通孔的，所以任何人都可以制作它，但如果喜欢较小版本的电路板，可以下载.brd文件并将所有组件编辑到SMD。

我使用的大多数电阻都是1％的容差，你可以使用常见的5％电阻。

焊接电阻器和跳线，然后焊接电容器和二极管，注意极性！

如果您没有与我相同封装的电位器，可以使用一些电线焊接外部电极，或者仅编辑封装。

我使用的检测电阻是一个4W1ohm的电阻，您可以使用不同的电阻，但不能低于3W。

晶体管是两个TIP122达林顿对，没有必要使用达林顿晶体管，任何增益超过100且具有2A电流能力的BJT都可以工作，但要检查基极电阻以匹配您的晶体管！

此外，您几乎可以使用任何其他四通道运算放大器，请务必选择引脚兼容的运算放大器。

我用两个输出制作了电路板，一个带有螺丝端子，另一个带有DSI电池连接器，它们是并联的，但您应该一次只给一个电池充电。请记住，此充电器设计用于为单节电池充电，而不是两节并联，也不是两节串联。

完成焊接后，将散热器拧到晶体管上，它们会耗散相当大的功率！我使用的那个相当小，也许应该使用更大的一个，但我认为它不会超过70?C所以现在没问题。

现在为您的电路板添加一些压铆螺母柱，它已准备就绪。

第7步：测试＃1

作为第一次测试，我要给600mAh的电池充电，在0.5C充电才能安全。

首先，将万用表连接到输出，并将拨盘设置为10A范围内的电流。插上充电器并转动电位器，直到输出电流为电池额定容量的一半，在我的情况下为0.3A。

然后，将电池连接到充电器，并注意极性，在我的电路设计中，正极引脚位于连接器的右侧。

当我开始给电池充电时，它的开路电压为3.1v，所以电量很少。大约一个半小时后，电池的电压为4.09v，即将进入恒压阶段。

一个半小时后，我看到LED正在调光，所以我通过检测电阻两端的电压降来检查电流，电流约为24mA，小于初始300mA的9％。此时电池已完全充电。

这款充电器效果很好，我用600mAh电池、840mAhDSI电池、200mAh手表电池和4000mAh平板电池进行了测试。它们都需要大约3个小时才能完全充电，4Ah需要花费更长的时间，但仅仅因为充电器限制在1.6A，这是0.4C的充电速率。