单芯锂离子电池充电机恒流恒压电源的设计

电路

在前面的教程中，锂离子电池的基础讨论。此外，还讨论了小心处理这些电池的重要性。正如在前面的教程中提到的，锂离子电池需要使用 CC-CV 方法充电，在这个教程中，一个锂离子电池充电器的单芯锂离子电池标称电压3.7 v 将被设计。

图1: 电池线性充电器实时电路原型

充电器电路的设计基本上有两种拓扑结构
1. 充电器使用线性调节器调压器
2. 使用开关调节器的充电器
市场上有充电器模块可以用来给锂离子电池充电。在这个教程中，一个使用基本电子元件包括线性调节器调压器的充电器将从头开始设计。充电器电路将根据电池规格和充电要求定制。
普通3.7伏锂离子电池的最大额定电压为每个电池4.2伏。这意味着，当电池的终端电压达到4.2 v 时，电池已经充满电，不能存储超过这个电压的电量。在恒压状态下，充电电路在电池的两端以恒定的速率施加相同的电压。试图通过施加高于这个电压的电池充电可能会快速充电电池，但它减少了电池寿命。
除了最大额定电压或峰值终端电压外，在设计充电器电路时还需要考虑的另一个重要因素是 c 比率。如果一个3000毫安的锂离子电池充满1500毫安的最大电流，那么它将被称为0.5 c 充电率。为了安全起见，锂离子电池必须以0.5 c 到0.8 c 的充电速率充电。
锂离子电池的充电循环基本上有两个阶段-
1. 恒流充电(简称 CC 模式)
2. 恒压充电(简称 CV 模式)
但是有些充电器的设计是为了在充电过程中跳过或增加更多的阶段。在本教程中，充电器设计将有两个基本阶段，包括恒流和恒压模式。你可参考以往的教程「锂离子电池充电基础知识」，了解锂离子电池的基本原理及充电方法。
本教程中设计的充电器电路分为两部分-
A)恒流恒压电源的设计
B)设计开关
在本教程中，将讨论恒流源和恒压源的设计，开关机构的设计将在下一教程中讨论。因此，在本教程中，首先，将设计一个电荷率为0.5 c 的恒流源。随后将设计一个4.2 v 的恒压源。
所需组件 -
下表-列出了使用线性稳压器设计恒流源和恒压源所需的元件

图2: 单电池锂离子电池充电器用恒流源和恒压源所需元件清单

方框图 -

图3: 单芯锂离子电池充电器的恒流恒压电源框图

电路连接
充电器电路遵循以下的充电算法-

图4: 基于线性调节器调压器的3.7 v 锂离子电池充电器充电算法流程图

充电器电路的恒流源和恒压源的设计步骤如下-
1)测试电池规格
2)确定充电器电路的设计参数
3)利用 lm317集成电路设计恒流源
4)利用 lm317集成电路设计恒压源
测试电池规格-
在设计充电器之前，首先要确认电池的规格。首先，测试电池的最大充电率是很重要的。本电路采用最大额定电压为4.2 v/1000 mAh 的18650锂离子电池进行充电。如果这个电池以0.5 c 的充电速率充电，这意味着充电电路提供给电池的最大电流必须是500毫安。
首先，电池将在 CC 模式下进行测试，最大电流为500ma。在这种模式下，根据电池的最大额定电压，电池的电压应该在3 v 到4 v 之间。在 CC 模式下，充电电流必须是500ma，但是这种模式下的充电电压必须确定。这个电压可以通过下面所示的电池充电曲线来确定。

图五: 锂离子电池充电曲线图

可以观察到在 CC 模式下，蓄电池的充电电压与蓄电池的实际电压是等效的。因此，在这种模式下，电池的电压降必须等于它的实际电压。当电池电压达到4.0 v 时，必须向其提供等于电池最大额定电压，即4.2 v 的恒定电压。然后电池充电电流应该开始减少，当它达到0.1 c，即100毫安，那么电池必须被认为是充满电。
充电器电路设计参数的确定
实际上，纸上的电池规格似乎没那么有用。对于500毫安的最大电流，可以设计一个使用线性集成电路的恒流源。通过这个恒流源，在 CC 模式下对锂离子电池进行充电时，观察到在充电过程中电池的实际电压为3.5 v，最大充电电流为500ma 时，电池电压超过4 v。根据标准，电池可以承受其实际电压没有任何偏差高达1c 的充电率。但在 CC 模式下，观察到电池电压与实际电压有偏差。尽管电池上的标签上写着1000毫安，但是它没有在0.5 c 充电。因此，在对充电器电路进行初步测试后，很容易得出结论: 电池不适合在500毫安时充电。
因此，为了给这种电池充电，充电电流应该减小，以便在电池终端可以实现所需的电压。因此，测试电池在不同电流小于500毫安。经过几次撞击和试验，观察到电池电压接近其真实电压在充电电流60毫安。因此，充电器电路必须设计为在60ma 的 CC 模式下给电池充电。
最后通过充电电路对蓄电池进行初步测试，给出了充电电路的设计参数
- CC 模式的充电电流必须为60毫安
- CV 模式下的充电电压必须为4.2 v
对于 CC 和 CV 两种充电方式的蓄电池，需要设计分离的恒流源和恒压源。恒流源和恒压源都可以使用 lm317稳压器集成电路设计。需要使用两个独立的 lm317集成电路，一个作为恒压源，另一个作为恒流源。
Lm317作为恒流源和恒压源的工作可以从以下教程了解-
- lm317作为可调恒流源
- lm317电源
恒流源的设计
Lm317的下列电路作为恒流源工作

图6: 锂离子电池线性充电器用 lm317恒流源电路图

为了设计这个电路，必须确定电阻 Rs 的大小。利用恒流源电路的直接方程可以计算其电流值。在这里，电阻 Rs 决定输出端的电流，其值可以通过下面的公式-计算出来
I = 1.25/Rs (lm317数据表中给出的公式)
理想电流，i = 60mA
Rs = 1.25/0.06
Rs = 20欧姆(大约)
通过改变 Rs 值，可以改变期望的恒流值。由于 lm317可以提供1.5 a 的最大电流，这就是为什么 Rs 的值不能小于0.83 e。
在选择任何电阻器时，基本上都要考虑两个参数，一个是电阻器的电阻，另一个是电阻器的额定功率。功率额定值以瓦数表示，取决于流过电阻器而不损坏它的最大电流。因此，如果采用低瓦电阻，那么，高电流会加热电阻并损坏它。因此，确定电阻器的功率等级也同样重要。它可以计算如下-
从电阻器 Rs 流出的最大电流为60ma。
因此，功率 = (Rs 上的电压降) * (Rs 上的最大电流)
功率 = 1.25 * 0.06
功率 = 75兆瓦(约)
因此，最大功率消耗卢比是75兆瓦。
根据可用性，可以使用0.25 w 或250 mW 的电阻器。
必须指出的是，充电电路是为 CC 模式下60毫安的充电电流而设计的。但是，根据具体电池的充电电流，可以通过改变 lm317电路中电阻 Rs 的值，将其改变为最大值1.25 a。
– 恒压源的设计
Lm317的下列电路作为恒压源工作。

图7: 锂离子电池线性充电器用 lm317恒压源电路图

为了使用 lm317作为恒压源，在输出引脚和地之间使用了电阻分压电路。分压器电路有一个可编程电阻(电阻 Rp)和另一个输出设置电阻(电阻 Rs)。通过取一个合适的编程电阻和输出电阻的比值，可以确定期望的输出电压值。输出电压 Vout 可以用下面的公式计算
Vout = 1.25 * (1 + (Rc/Rp)(lm317数据表中给出的方程)
为了保证电路的稳定性，电阻的典型值应为220e 到240e。在此电路中，编程电阻 Rp 的值为220e。现在按照要求，输出电压应该是4.2 v，所以电阻 Rc 的值如下
期望输出电压，Vout = 4.2 v
输出设置电阻，Rp = 220E
把 Vout 和 Rp 的数值放入等式中,
4.2 = 1.25 * (1 + (Rc/220)
求解该方程后，计算 Rc 值如下
Rc = 520欧姆(大约)为了使用 lm317作为恒压源，在输出引脚和地之间使用了电阻分压电路。分压器电路有一个可编程电阻(电阻 Rp)和另一个输出设置电阻(电阻 Rs)。通过取一个合适的编程电阻和输出电阻的比值，可以确定期望的输出电压值。输出电压 Vout 可以用下面的公式计算
Vout = 1.25 * (1 + (Rc/Rp)(lm317数据表中给出的方程)
为了保证电路的稳定性，电阻的典型值应为220e 到240e。在此电路中，编程电阻 Rp 的值为220e。现在按照要求，输出电压应该是4.2 v，所以电阻 Rc 的值如下
期望输出电压，Vout = 4.2 v
输出设置电阻，Rp = 220E
把 Vout 和 Rp 的数值放入等式中,
4.2 = 1.25 * (1 + (Rc/220)
求解该方程后，计算 Rc 值如下
Rc = 520欧姆(大约)
因此，利用两块 lm317集成电路，设计了一个60ma 的恒流源和4.2 v 的恒压源。这两种较小的电路都将成为锂离子电池充电电路的一部分。

图8: 锂离子电池线性充电器中恒压源和恒流源的电路图

在设计充电器和使用充电器电路之前，必须检查电池的额定电流和最大额定电压。在 CV 模式下，蓄电池的充电电压必须大于其最大额定电压。电池必须以0.5 c 到0.8 c 的充电速率充电。电阻器 Rs 必须具有适当的瓦特额定值，以防止电阻器受到任何损坏。
不能超过 lm317集成电路的输入电压和输出电流限制，因为这会损坏稳压器集成电路。这些规范必须从集成电路的数据表中检查。如果在 CC 模式下从 LM317 IC 采用大电流(500ma 或更大) ，则必须使用散热器来帮助其冷却并增加其寿命。散热器也是导体，所以应该注意不要使集成电路的引脚与散热器短路，否则会导致集成电路短路和损坏。
【新课推荐】45天BMS锂离子电池管理系统设计实战线上特训班

45天BMS锂离子电池管理系统设计实战线上特训班_电子发烧友学院 https://t.elecfans.com/topic/449.html
纪客老白新上好课：
45天BMS锂电池系统管理线上特训班招生啦！！！
【录播课程6部+45天线上直播课+BMS电源模块开发板(成品)】
录播课程如下：(学习资料礼包+全天解答交流群)
1.通用元器件基础系列  ￥399
2.元器件选型  ￥399
3.驱动电路设计大全  ￥399
4.防护电路  ￥299
5.硬件焊接调试  ￥499
6.电源系统分析  ￥599
限时优惠价￥1999

张浩 · 2022-4-26 10:52:56

好诶

jf_27451875 · 2022-4-27 09:14:20

这个很不错，值得学习！

搜索历史

单芯锂离子电池充电机恒流恒压电源的设计

相关推荐

2 条评论

评论

精选推荐

站长推荐 /6