电池充电和boost DC-DC拓扑

  电池充电原理

  对于锂电池来说，充电方法对其性能影响很大，合理的充电方法可延长锂电池的寿命、提高充电效率。本文分析了锂电池的各种充电方法，并在充电速度、使用寿命和实现成本上对各自的优缺点进行了比较，供大家参考交流。锂电子电池的标称为3.6V，充电的终止电压为4.2V，一旦单体锂电子电池的充电电压超过4.2V电池负极会发生副化学反应。

  电池充电电流的大小，电池的容量C和放电时间T来表示，I=C/i=1C(A);

  目前；锂电池充电主要采用的方式是：先采用小电流进行涓流充电，0.1C充电到一定电压后改为恒流充电（0.8-1C的电流）充电到一定电压（4.2V）后采用恒压方式的充电（定时一段时间）、或者检测充电电流为0.1C后停止。

  锂电池放电时锂电池电压不得低于锂电池的放电终止电压，一般单节锂电池的终止电压为2.5V.

  一、首先锂电池充电的理论基础

  1972年美国科学家马斯提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线：I=I0expAt，式中；I0为电池初始充电电流；A为充电接受率；t为充电时间。I0和A的值与电池类型、结构和新旧程度有关。

  现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。如图1所示，当电池工作在N区，充电电流会过大，那么电池的温升就会很严重，当电压过高，电池会析出大量气体，从而引起电池膨胀甚至爆炸。

  当电池工作在M区时，充电电流是电池可接受的，由于充电电流没有达到最大的充电电流，因此没法快速充电导致电池充电时间不是最短，当充电电流沿着曲线给电池充电，这种状态是最理想的充电状态，充电时间也能够达到最短。

  图1 锂电池充电特性

  锂电池的充电方法有很多种，按充电效率可分为常规充电和快速充电。其中常规充电方法包括：恒流充电、恒压充电、阶段充电和间歇充电，而快速充电包括脉冲充电和Reflex充电。

  1. 恒流充电

  恒流充电及采用恒定的电流给锂电池充电，按充电电流大小的差异恒流充电又可分为快速充电、标准充电和涓流充电。在整个充电过程中，一般采用调整电源充电电压或改变与电池串联的电阻值，来维持电池的充电电流大小不变。这种方法优点是控制简单，适用于对多个电池串联的电池组进行充电。缺点是锂电池的可接受充电的能力会随着充电的进行逐渐降低，在充电后期过大的充电电流会使电池内部产生气泡，对电池造成损坏。因此恒流充电，常常是作为阶段充电中的一个环节。

  2. 恒压充电

  给锂电池充电的电压保持恒定，充电电流的大小随着电池状态的变化自动调整。由于电池内阻较小，在电池充电初期，随着充电的进行，电池电动势的升高在充电的末期，充电电流逐渐减小。与恒流充电相比，其充电过程更加接近最佳充电曲线，并且在充电初期电池充电电流过大，直接影响锂电池的寿命和使用质量。

  3. 恒流恒压充电

  如图2为恒流恒压充电曲线。在开始充电之前，首先检测电池电压，若电池电压低于门限电压（2.5V左右），则以C/10的小电流对电池进行涓充充电，使电池电压缓慢上升；当电池电压达到门限电压时，进入恒流充电，在此阶段以较大的电流(0.5C～1 C)强度对电池进行快速充电，电池电压上升较快，电池容量将达到其额定值的85%左右；在电池电压上升到上限电压（4.2V）后，电路切换到恒压充电模式，电池电压基本维持在4.2V，充电电流逐渐减小，充电速度变慢，这一阶段主要是保证电池充满，当充电电流降到0.1C 或 0.05C 时，即判定电池充满。

  图2 恒流恒压充电曲线

  恒流恒压充电避免了恒压充电开始时充电电流过大的问题，又克服了恒流充电后期容易出现过充的现象，结构简单，成本较低，目前在锂电池的充电方法被广泛使用。但它不能消除电池充电时的极化现象，影响充电效果。

  4、分段恒流充电

  该充电方式是在恒流充电的基础上，把单一的恒流充电模式划分为多个恒流充电阶段，每个阶段的恒流充电接近电池的可接受充电电流。充电曲线如图所示：这种多阶段式恒流充电方式主要根据原理是将充电曲线进行划分以能够将实际充电电流曲线与理论曲线相重合。在实际的应用过程中存在控制方式难度大，以及需要设计不同的恒流源来满足充电电流的要求。

  4. 脉冲充电

  如图3所示，为脉冲充电曲线，主要包括三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。

  图3 脉冲充电曲线

  在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电，大部分能量被转移到电池内部。当电池电压上升到上限电压（4.2V）时，进入脉冲充电模式：用1C的脉冲电流间歇地对电池充电。在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高，充电停止时电压会慢慢下降。当电池电压下降到上限电压（4.2V）后，以同样的电流值对电池充电，开始下一个充电周期，如此循环充电直到电池充满。

  在脉冲充电过程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认为电池已经充满，终止充电。与常规充电方法相比，脉冲充电能以较大的电流充电，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛使用。但其缺点很明显：需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的成本。

  C.K.Leong等研究的脉冲充电，每个充电周期持续大约1s，首先对电池进行正向充电，然后停充和反向放电各20～30ms。正向脉冲电流给电池充电，而负向脉冲电流减少气体从电极中析出，可对电池采用较大电流实现快速充电。

  三、结束语

  本文分析了锂电池的各种充电方法，根据J.A.Mas的理论,其存在一个最佳充电曲线,无限接近这条曲线时，充电速度最快、效率最高，超过这条曲线,电池将会受到损害。相对于恒流和恒压充电，智能充电和脉冲充电更好地运用J.A.Mas理论,了各种方法的优点,应用较为广泛。在充电过程中电池极化问题一直影响着充电效果，如果将来能消除电池极化，电池充电速度将会上一个新的台阶。

  DC-DC转换器的尺寸主要取决于电感、电容、等储能元件，开关频率较大时，对应电感电容的尺寸相对设计会减小，当频率越高也会带来电磁干扰等问题，这个时候就需要增加高频干扰问题，使转换器的结构设计变得更复杂，且因为开关频率的增高将导致开关损耗增加。如图1为BOOST拓扑图：

  当M2导通：电流流向为图中的蓝色线标识，给电感充电，电感上的电流增加，R所需的电流是由C2电容提供。

  M2不导通：电感提供电流给负载R2 和电容C2。电感上的电流减小，电路中的电流方向不变。

  当M2不导通电感上的电流减小到0，则成为DCM（断续模式），如果电感放电周期，电感上的电流始终大于0，则成为CCM（连续模式），如果在下一个电感充电周期开始前电感上的电流刚好为0，（临界模式）。对应三种模式下电感上的电流变化图。电流的方向实际就是正电荷的移动方向。

  后续将加入BUCK拓扑电路分析以及，开关电源的电感、电容的等元器件的选型。