锂电池充电原理及合适充电电压电流的选择
本文从锂电池充电电路原理出发，在深入了解锂电池原理的基础上，介绍了充电电池充电电路的设计，然后详细分析了如何选择合适的充电电压和充电电流，希望大家能够深入了解日常生活中绕不开的锂电池基础知识。
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锂电池充电电路原理
1.锂电池及镍镉、镍氢充电电池：
锂离子电池的负极是石墨晶体，正极通常为二氧化锂。充电时，锂离子从正极移动到负极，嵌入石墨层中。放电时，锂离子在石墨晶体中脱离负极表面，移动到正极。因此，在电池的充放电过程中，锂总是以锂离子的形式出现，而不是以金属锂的形式出现。因此，这种类型的电池被称为锂离子电池，简称锂电池。
锂电池具有体积小、容量大、重量轻、无污染、单电池电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点，但价格昂贵。镍镉电池因容量低、自放电严重、污染环境等原因，正逐渐被淘汰。镍氢电池性价比高，不污染环境，但单电池电压仅为1.2V，使用范围受到限制。
2、锂电池的特点：
1、具有较高的重量能量比和体积能量比；
2、电压高。单节锂电池的电压为3.6V，相当于三节串联的镍镉或镍氢充电电池的电压。
3、自放电低、长期储存是该电池最突出的优点；
4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池所谓的记忆效应，所以锂电池不需要先放电再充电；
5、寿命长。在正常工作条件下，锂电池的充电/放电循环次数远远大于500次；
6、充电速度快。锂电池通常可用容量0.5~1倍的电流进行充电，将充电时间缩短至1~2小时；
7、可随意并联使用；
8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，所以不污染环境，是当代最先进的绿色电池；
9、成本较高。与其他充电电池相比，锂电池价格较高。
3、锂电池内部结构：
锂电池一般有两种形状：圆柱形和矩形。
电池内部呈螺旋卷绕，正负极之间有极细且透气性极好的聚乙烯薄膜隔离材料。正极包括由锂和钴的二氧化物组成的锂离子集流体和由铝膜组成的集流体。负极由片状碳材料组成的锂离子集流体和由铜膜组成的集流体组成。电池内部填充有有机电解液。另外还安装有安全阀和PTC元件，以保护电池在异常情况下和输出短路时不会损坏。
单体锂电池的电压为3.6V，其容量不可能是无限的，因此单体锂电池常常采用串联或者并联的方式，以满足不同场合的要求。
4、锂电池充放电的要求；
1、锂电池的充电：根据锂电池的结构特点，最高充电终止电压应为4.2V。切勿过充，否则会因正极被夺走过多的锂离子而导致电池报废。其充放电要求较高，可采用专用的恒流恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转为恒压充电，当恒压充电电流降至100mA以下时，应停止充电。
充电电流（mA）=0.1~1.5倍电池容量（例如：电池在135~即可充电），常规充电电流可选择在电池容量的0.5倍左右，充电时间约为2~3小时。
2、锂电池的放电：由于锂电池内部结构的原因，放电时锂离子不可能全部移动到正极，必须有一部分锂离子保留在负极，以保证下次充电时锂离子能顺利嵌入通道，否则电池寿命会相应缩短。为了保证放电后有一部分锂离子残留在石墨层中，必须严格限制最低放电终止电压，即锂电池不能过放电。放电终止电压通常为3.0V/cell，最低不能低于2.5V/cell。电池放电时间的长短与电池容量、放电电流有关。电池放电时间（小时）=电池容量/放电电流。锂电池的放电电流（mA）不宜超过电池容量的3倍。（对于电池来说，放电电流应严格控制在3A以内）否则会损坏电池。
目前市面上销售的锂电池组都是密封有配套的充放电保护板的，只需要外部控制充放电电流即可。
5、锂电池保护电路：
两节锂电池的充放电保护电路如图1所示，由两只场效应管和一块专用保护集成块S--8232组成。电路中串联过充电控制管FET2和过放电控制管FET1，保护IC监测电池电压并进行控制，当电池电压升至4.2V时，过充电保护管FET1截止，停止充电。为防止误动作，一般在外电路加延时电容。当电池处于放电状态，电池电压降至2.55V时，过放电控制管FET1截止，停止向负载供电。过流保护就是在有大电流流过负载时，控制FET1截止，停止向负载放电，以保护电池和场效应管。过流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻，监测其压降，当压降超过设定值时，放电停止。 电路中一般加有延时电路，用来区分浪涌电流与短路电流，该电路功能齐全，性能可靠，但专业性强，专用的集成块不易买到，业余爱好者也不容易仿制。
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6、简单充电电路：
现在很多商家出售的单节锂电池不带充电板，性能优越，价格低廉，可用于自制产品和锂电池组的维修更换，因此受到广大电子爱好者的喜爱。有兴趣的读者可以参考图2自己制作一个充电板。其原理是：用恒定电压给电池充电，保证不会过充。输入直流电压可比被充电电池电压高3伏。R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路，Q2、W2、R2组成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电电池电压的升高，充电器
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电流会逐渐减小，当电池充满电后，R4上的压降会减小，使Q3截止，LED熄灭。为确保电池充满电，请在指示灯熄灭后继续充电1-2小时。使用时请给Q2、Q3安装合适的散热器。此电路的优点是：制作简单，元器件易买，充电安全，显示直观，不损坏电池。通过改变W1，可以对多节串联的锂电池进行充电，通过改变W2，可以在较大范围内调整充电电流。缺点是：没有过放电控制电路。图3为充电板印刷电路板图（从元器件面透视图）。
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7.单体锂电池应用实例
1. 作为电池组维修的替代品
电池组有很多种，比如笔记本电脑用的电池组，维修后发现这个电池组损坏时，只有个别电池有问题，可以选择合适的单节锂电池进行更换。
2. 制作高亮度微型手电筒
笔者曾用单节3.6V1.6AH锂电池和白色超高亮度发光管制成微型手电筒，使用方便，小巧美观。且由于电池容量大，每晚平均使用半小时，不用充电，已使用两个多月。电路如图4所示。
3.更换3V电源
由于单节锂电池的电压为3.6V，因此仅用一节锂电池即可代替两节普通电池，为收音机、随身听、照相机等小家电供电，不仅重量轻而且连续使用时间长。
8、锂电池的储存：
锂电池在储存前需要充满电，在20℃下可以储存半年以上，可见锂电池适合低温储存。曾经有人建议将充电电池存放在冰箱里，这确实是个好主意。
九、使用注意事项：
锂电池不得拆卸、钻孔、刺穿、锯切、加压、加热，否则可能造成严重后果。无充电保护板的锂电池不得短路，不得让儿童玩耍。不得靠近易燃物品或化学品。报废锂电池必须妥善处理。4.锂电池充放电要求；
1、锂电池的充电：根据锂电池的结构特点，最高充电终止电压应为4.2V。切勿过充，否则会因正极被夺走过多的锂离子而导致电池报废。其充放电要求较高，可采用专用的恒流恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转为恒压充电，当恒压充电电流降至100mA以下时，应停止充电。
充电电流（mA）=0.1~1.5倍电池容量（例如：电池在135~即可充电），常规充电电流可选择在电池容量的0.5倍左右，充电时间约为2~3小时。
2、锂电池的放电：由于锂电池内部结构的原因，放电时锂离子不可能全部移动到正极，必须有一部分锂离子保留在负极，以保证下次充电时锂离子能顺利嵌入通道，否则电池寿命会相应缩短。为了保证放电后有一部分锂离子残留在石墨层中，必须严格限制最低放电终止电压，即锂电池不能过放电。放电终止电压通常为3.0V/cell，最低不能低于2.5V/cell。电池放电时间的长短与电池容量、放电电流有关。电池放电时间（小时）=电池容量/放电电流。锂电池的放电电流（mA）不宜超过电池容量的3倍。（对于电池来说，放电电流应严格控制在3A以内）否则会损坏电池。
目前市面上销售的锂电池组都是密封配套的充电、放电保护板，只要控制外部的充电、放电电流即可。锂电池充电电路设计：
1. 涓流充电阶段。（当电池过度放电且电压较低时）
低于3.0V。锂电池内部的电介质会发生一些物理变化，导致充电特性变差，容量下降。这个阶段只能通过涓流的方式给锂电池进行缓慢充电，让锂电池内部的电介质慢慢恢复正常。
2.恒流充电阶段。（电池从过放电状态恢复到正常状态）
在IC外部的引脚上接一个电阻来确定阻值，阻值是根据充电管理IC上的公式计算出来的。
3.恒压充电阶段（已充满85%以上，慢慢补充）
当锂电池容量达到85%（约）时，需要再次进入慢充阶段，使电压缓慢上升，最后达到锂电池的最大电压4.2V。
BAT引脚输出，此BAT与锂电池端相连。同时此引脚也是锂电池电压检测引脚。锂电池充电管理IC通过检测此引脚来判断电池的各种状态。
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A210电源图
5V通过D2送到开关SW2，通过充电管理IC送到锂电池，SW2左边点电压为5V-0.7V=4.3V，由于锂电池无论是充满电还是没充满电，电压都低于SW2左边点电压4.3V，所以D1截止，充电管理IC对锂电池正常充电。
D2与D1，后级LDO直接接在BAT引脚输出，充电IC在通电时会产生误判断，会有5V外接电源，但锂电池无法充电，充电管理IC的LED指示灯不正常，后级负载LDO得不到正常的输入电压（输入电压很小）。这种情况下只要将充电管理IC的电压输入引脚直接短接至BAT引脚，一切状态又正常，可以进行充电，后级负载LDO正常工作。
IC在上电时需要检测BAT的状态，将LDO的输入脚接到连接BAT与锂电池正极的支路，会影响BAT脚的工作状态，导致充电管理IC进入涓流充电阶段，将BAT脚与充电管理IC的电压输入短接，会强制BAT脚电压上升，这样充电管理IC就会判断锂电池进入恒流充电阶段，于是输出大电流，可以驱动后续的负载LDO等。
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D1、D2应选用压降较小的二极管，如锗二极管、肖特基二极管、开关管等。在需要电池开关的设计中，正向压降10mV、无反向漏电流的二极管对设计者来说是一种“奢侈”。但目前为止，肖特基二极管仍是最佳选择。
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肖特基二极管的正向压降在300mV至500mV之间。但对于某些电池开关电路，即使是肖特基二极管也无法满足设计要求。对于高效的电压转换器，节省的能量可能完全被二极管的正向压降浪费掉。为了在低压系统中有效节省电池能量，应选择功率开关而不是二极管。SOT封装的导通电阻只有几十毫欧姆，其导通压降在目前的便携式产品水平下可以忽略不计。
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切换电源，最好是将二极管正向压降、正向压降和电池电压进行比较，并将压降与电池电压的比值视为效率损失。例如，用正向压降为350mV的肖特基二极管切换一节Li+电池（标称值3.6V），损耗为9.7%，如果用来切换两节AA电池（标称值2.7V），损耗为13%。在低成本的设计中，这些损耗可能是可以接受的。但是，当使用高效率DC-DC时，需要权衡DC-DC的成本和升级二极管带来的效率提升的成本。
其次，还要考虑产品所用电池的放电特性，锂电池的放电特性如下：
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当锂电池处于室温下，当电量消耗到90%的时候，电压会维持在3.5V左右，选择质量较好的LDO器件，那么在3.5V的时候，输出电压依然会稳定在3.3V。
从LDO的角度来说，当负载电阻为50欧姆，负载电流为60mA时，输入电压与输出电压关系如下表所示：
2.8V2.65V
3.4伏3.3伏
4.0伏3.0伏
即使锂电池耗电90%的情况下，LDO输出依然可以稳定输出3.3V。从图1中A210的供电电路分析，加入硅二极管D1后，LDO输入电压=3.5---0.7V=2.8V。这样，只要模块烧录了可以在2.4V左右工作的程序，硅二极管在这个电路中也是可以用的。
从电路性能考虑，采用锗二极管或者肖特基二极管是最佳选择。
具体采用哪种电路设计，还需要根据您产品中其他电路的工作电压范围、特性以及成本等方面来综合考虑。
1.锂离子电池充电需要多少电流最合适？
锂离子电池充电需先恒流充电，即电流恒定，随着充电过程的进行，电池电压逐渐升高。当电池端电压达到4.2V（4.1V）时，由恒流充电改为恒压充电，即电压恒定，随着充电过程的继续，电流根据电芯的饱和程度而逐渐减小，减小到0.01C时即认为充电终止。（C是电池标称容量对抗电流的一种表达方式，例如电池的容量为，1C即为充电电流，注意是mA而不是Ah，0.01C即为10mA。）为什么0.01C认为是充电结束：这个是国标GB/-2000规定的，也有讨论。 以前大家一般以20mA结束，邮电部行业标准YD/T998-1999也是这样规定的，就是不管电池容量多大，停止电流都是20mA。国标规定的0.01C有助于充电更充分，有利于厂家通过鉴定。另外国标规定充电时间不能超过8小时，也就是说即使还没到0.01C，8小时后也算是充电完成。（质量好的电池8小时内应该能达到0.01C，质量差的电池再等就没有意义了。）锂离子或锂聚合物电池组的最佳充电倍率为1C，也就是说的电池组要用1C的电流快速充电。 此充电速率可在不降低电池组性能、缩短其使用寿命的前提下，实现最短的充电时间。对于容量不断增加的电池组，为了达到此满意的充电速率，必然要加大充电电流值。
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2.锂离子电池充电最合适的电压是多少？
锂离子电池的标称电压为3.7V（3.6V），充电截止电压为4.2V（4.1V，根据电芯品牌不同设计也不同）。如何区分电池是4.1V还是4.2V：消费者无法区分，这个要看电芯厂家的产品规格。有些品牌的电池是4.1V和4.2V通用的，比如ATB（东芝），国内厂家基本都是4.2V。4.1V的电池充到4.2V会怎么样：会增加电池容量，感觉很好用，待机时间也增加了，但是会缩短电池的寿命，比如原来的500次减少到300次。同样的道理，4.2V的电池过度充电也会缩短寿命。锂离子电池很娇气，既然电池内部有保护板，是不是就可以放心使用了？ 不行，因为保护板的截止参数是4.35V（这个还好，最差也是4.4到4.5V），保护板是应急用的，如果每次都过充的话，电池衰减的很快。
3.苹果的电池规格是什么？
苹果的电池规格是标称电压3.7V，充电截止电压4.2V，电池容量。按照我们上面说的，最佳充电速率是1C，开始充电需要的电流是3.7V。电压达到4.2V后，开始恒压充电，直到达到0.01C，也就是14mA，停止充电。
4.USB接口和充电器的电压和电流分别是多少？
USB接口的电流是500mA，电压是+5V，如果你在充电过程中打开，还可以看到Power项是500mA，这个是充电器设计的，电压是+5V。我想大家都知道那个可以插在电源插座上的白色小方块是干什么用的，就不用我再说了吧？用充电器充电的时候，可以看到Power项是+5V。综上所述，当你使用USB充电的时候，电压是+5V，电流只有500mA。我们参考问题1和问题2的答案就知道，这种方式会增加电池容量，用起来很舒服，但是会缩短电池的寿命。用充电器充电的时候，大家可能会问，不是说最好是1C的速率吗？那应该是的充电电流，没错，但是国家有另外的规定。 国标规定低倍率充电是0.2C（仲裁充电标准），以电池容量为例就是280mA，理论上越小对电池越好。但是你总不能等3天才充完一块电池吧。（容量mAh=电流mA×时间h）所以苹果选择了0.7C，而大部分电池在0.5C--0.8C5之间可以选择！显然有些人用USB充电，觉得时间更长，但那是以牺牲电池寿命为代价的。
因此，使用哪种方法由您决定！
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