針對充電電池的低成本CCR充電解決方案

電池種類及充電技術選擇

三種最常見的充電電池分別是鎳金屬氫化物(NiMH)、鎳鎘(NiCad)和鋰離子(Li-ion)。電池充電速率用字母“C”表示。“C”定義了1.0小時的電池容量。例如，一個額定值為800 mAh(毫安時)的電池可以用0.5C充電，因而使電池完全充電需要以400 mA充電電流充電超過2個小時。圖1是充電電路的基本框圖。

圖1：充電電路基本框圖

1) 鎳氫和鎳鎘電池

鎳氫電池的額定電壓為1.2 V/節，應該用高達1.5-1.6 V/節的電壓充電。要決定何時中斷充電有幾種不同技術可以采用，其中包括：峰值電壓檢測、負Δ電壓、Δ溫度(dT/dt)、溫度閾值和定時器。對于高端充電器這些技術都有可能組合用在一個充電器當中。

CCR充電器是一個峰值電壓檢測電路，可在預定峰值終止充電，為上述電池的充電提供了一個合適的解決方案。其預定峰值電壓為1.5 V/節，可將電池充電至約97%的程度。鎳鎘電池可以使用該電路充電。其表現與鎳氫電池非常相似，所以這種方法很合適。

2) 鋰離子電池

對鋰離子電池而言，常用的充電方法是在0.5C到1C條件下通過涓流充電將電池充電至4.2 V/節。在充電過程中，鋰離子電池的溫升應保持在低于5℃，較高的溫升表明可能會引發自燃。涓充部分的充電周期電池溫升最大，最有可能自燃。由于這個問題，高端充電可使用智能IC(如安森美半導體的NCP1835B)來監視和控制鋰離子電池的充電過程。

恒流穩流器(CCR)充電電路設計

本文討論的CCR控制器沒有使用涓流充電，因此消除了可能自燃的問題，讓電池處在一個安全工作區有助于提高電池的使用壽命。不過，不使用涓流充電，電池將只能充電到約85%的程度。

1) 設置參考電壓

利用三端可編程分流穩壓器TL431可以設置參考電壓。它可在其參考引腳提供一個恒定的2.5 V輸出。當如圖2所示連接兩個外部電阻時，參考電壓可以選為2.5 V至36 V。出于我們的目的，我們將R2設置為1.0 kΩ，并將Rref調整到我們想要匹配的參考電壓。用來得出R2/Rref比率的公式是：

圖2：參考電壓的設置

2) 遲滯環路比較器

LM311是一個單比較器，用來比較參考電壓與電池電壓。連接到反相輸入端的是電池電壓。遲滯是由輸出和非反相輸入端之間的反饋電阻(Rh)提供的。R3是一個1.0 kΩ的電阻，用來簡化R3/Rh的比例。通過調整Rh可以改變遲滯環的帶寬。增加Rh可以減少帶寬，反之亦然。建議遲滯的帶寬大于200 mV，因為在充電終止時，電池的電壓會略微下降一些。高電壓與低電壓的反相輸入公式是：

圖3：遲滯設置

圖4：充電電路原理圖

3) 電流開關

電路中的兩個雙極結型晶體管(BJT)(Q3和Q6)作為控制充電電流的開關。Q6的基極是通過一個5.6 kΩ電阻(R6)由比較器的輸出控制的。Q6的集電極通過一個1.0 kΩ電阻(R5)連接到Q3的基極。當比較器的輸出變為低電平時，Q6被關閉，導致Q3關閉而終止充電電流。

4) 穩流

電池的充電電流采用一個CCR來控制。電流可以通過一個可調節CCR和/或并聯CCR來調整。這個演示板是專門為兩個并聯CCR(Q4和Q5)設計的(可以并聯連接兩個以上的CCR，以便能夠達到你想要的任何電流)。對于本文討論的實驗，CCR(NSI45090JDT4G)可以在90 mA至160 mA范圍內調整。三個用于數據分析的電流分別是90、180和300 mA。

5) 指示器LED

為了表明電池正在充電，組合使用了一顆CCR、Q7及一個LED。CCR為LED提供個恒流。在沒有電池連接到充電器時，LED也將“導通”。當LED“關閉”時，表明電池已完全充電。

6)設置不同的測試電流

表1顯示了決定充電電流的可變元件值和充電終止電壓。同時在180 mA測試兩個NSI45090JDT4G CCR被用來給出一個Radj = 10的90 mA的電流輸出。

7) 測試結果

CCR充電電路是通過在90 mA、180 mA和300 mA對鋰離子電池和鎳氫電池充電進行測試的。表2是正在充電的電池監測到的關鍵電壓。表3顯示了電路終止電池充電后相同的關鍵電壓。在測試過程中，電池的溫度開始迅速升高(見表4)，測試結束之前，電池電壓達到參考電壓。