王姝 张丹蕊 蔡诗琦 杨光宇
沈阳城市学院 辽宁 沈阳 110000
摘要：国家社会经济的不断进步与发展，极大地促进了便携式设备锂电池充电电路设计技术的飞跃，研究其相关课题对于提升电路设计的整体水平具有极为关键的意义。本文首先概述了相关内容，分析了锂电池常用充电方法，探讨了电池的保护电路参数及其设计软件问题，望对相关工作的开展有所裨益。
关键词：兼容USB；便携式设备；锂电池充电；电路
1前言
随着便携式设备锂电池充电电路设计条件的不断变化，对USB兼容性提出了新的要求，因此有必要对其相关课题展开深入研究与探讨，以期用以指导相关工作的开展与实践。基于此，本文从概述相关内容着手本课题的研究。
2概述
锂离子电池应用量仅次于镍氢、镍镉电池，因为它使用时间长、所需电压高、自放电少、对环境无不良影响等优点，目前已作为电源在一些的小型电子产品上使用。锂离子电池为依次用两类脱嵌和可逆嵌入锂离子的相互间混合物作正负极活性物质而组合的二次电池，现在工厂基本都在用高嵌脱锂电位的LiCoO2类材料为正极，负极的碳类材料是低嵌脱锂电位。锂离子电池在使用上受其充放电循环的影响很大，与别的二次电池相同，在循环过程中锂离子电池也存在容量降低的现象。
USB即通用串行总线，它是应用在现代PC领域的一种新型的接口技术。USB使用4针插头作为它的标准插头和外部的设备进行连接。在这个4针插头中，其中的两针是数据通信线，处在外侧的另外两针为外部的设备提供电源。由USB主机与集线器（有电源）能供给的USB的接口所连接设备的电压最低可为4.5V，其总线所驱动的集线器能供给的电压最低是为4.35V。
由上面的剖析可得出，在锂电池充电时通过USB接口，电流能够保证，而电流的大小调整较难。在给工作电压是4.2V的锂电池来充电时，若用4.35V最低电压的USB接口，则裕度不高，这在设计上就要考虑好充电电路的点压的降幅。
3锂电池常用充电方法研究
目前，充电技术日益完善，在充电方法的选择中，除了传统的恒压充电、恒流充电、恒压恒流充电方法以外，涌现了很多新的充电方法，诸如脉冲充电、分段充电等越来越多的得到广泛应用。下面将对几种常用充电方法进行概述。
3.1恒流充电
在对电池进行充电的过程中，通过对输出电压的调节来保持电流的恒定，当充电系统判断电池电压达到一定阈值时，则电池充电结束。
此种方法在对充电电量计算方便比较准确，并且充电控制电路简单容易实现，但在电池充电的后面阶段，由于电池内部状态的影响，该阶段接受电流能力弱，导致后面阶段采用此充电方法效率不高，可能产生电池充不满情况。
3.2恒压充电
在对电池进行充电的过程中，通过对充电器输出电压保持一定的恒定值，随着充电时间的延长，电池端电压变大，电流变小，如果系统通过采样电路检测到充电电流趋于极小值时，系统认为充电结束，停止充电。
该种充电方法在电路上很容易实现，只需添加DC模块便能实现，但在充电初期阶段，如果电池电量处在很低的情况下，输出电压与输入电压之间电压差过大，同时在充电初始阶段电流也比较大，将会对电池内部造成破坏。
3.3脉冲式充电
在对电池进行充电的过程中，充电器通过开关管进行控制，通过开关管的设置将整个充电过程划分为多脉冲充电周期，每个充电周期都包括充电过程和间歇过程。
此种方法可以使电池在充电过程中有一个间歇时间使电池内部有一个电能和光能的转换过程时间，这样可以使充电效率得到提高，其缺点就是在对整个充电过程很难实现准确控制，并且充电时间长，实用性较差。
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3.4智能分段充电
首先采用涓流充电，在保持电压和电流恒定的情况下，输出小电流。
在第二阶段，在电池电压达到阈值后，采用电流电压实时改变的方式进行充电，对电池采样快充的方式进行充电段，采用电压恒定的充电方式，避免发生过充的现象，当充电系统检测到电流小于设定值后，判断电池为充满状态。
4电池的保护电路参数
4.1电池电压
电池的正负极和电池开路的电压在材料上以及电池是否在充电有联系。3.6V和3.7V与3.6V是电池的2个额定电压。一般都是用3.7V。4.2V是充电完成的电压，2.75V是放电完成的电压。镍镉和镍氢与镍镉电池电压约是单体锂离子电池电压的1/3[2]，即因为需调整到要求的组端电压，所需的锂离子电池只有镍福、镍氢电池数量的1/3，这就减少了所需电池的数目，从而简化了设计。
锂离子电池在电压方面的应用条件高，起误差要小于1%。若应用的电池的完成的电压是4.2V，则误差不能超过0.042V。否则会严重影响电池的寿命，降低电池使用时间。锂电池充放电电路，对于3芯的锂电池，充电时的端电压表达式为：V0=3Vcell+Rd×Icharge
充电时的端电压表达式为：V0=3Vcell-Rd×Icharge
4.2充放电的电流
锂离子的电池对于充放电所允许的电流有一定限制。一般情况下采用的充电率大约为0.25～1C。进行大电流的充电时，还要检测电池的温度，以防止电池的过热从而损坏电池。较大放电电流会造成电池的发热严重，损坏电池的组成物质。
4.3过放、过充与过温现象
若有4.5V以上的电压用在锂离子类型电池两端时，则很容易引起过充。这种情况下负极地方在石墨里所进入的锂离子已处于饱和，锂晶枝此时有堆在负极的锂形成，从而使电池的容量降低。并且锂离子由电池的正极调出，减少了电池的容量与正极处材料的活性。
电池的过放现象指由于完成电压高于电池的电压时，放电没有停止，引起电池电压持续减少。电极在过放时出现晶枝，进而产生短路。锂离子电池中的LiNi02、LiC6（活性物质）过温时和电解液的化学反应一般会发生，放出大量的热。出现这种现象时，电池温度将大幅生高，会将电池燃烧并引发电池爆炸。
5设计软件
因为在设计中控制中心安放了微处理器，因此设计对于软件很关键。保护电路通上电，最先初始化的是ATJ2085，再扫描检查A/D通道。时钟有Timer0计数器代替，它的获取主要通过内部的时钟源进行分频。然后通过软件进行Timer0计数，溢出一次所需的周期为250个时钟，最后延时可符合4ms的规定。软件里面软件检测的措施，25次计数得出计时100ms。溢出中断应用于Timer0，经由中断程序确定好电压额定范围及A/D转换。
文中所设计的便携式设备锂电池充电电路可以约束好过放电与过充电，使电池组能正常应用，并且采用兼容USB电路充电在产品的应用和研制上十分方便，此设计方式费用少、非常简便，适合于在便携式电子产品中应用。
6结束语
通过对兼容USB的便携式设备锂电池充电电路设计的研究，我们可以发现，该项工作理想效果的取得，有赖于对其多项影响因素与关键环节的充分掌控，有关人员应该从客观实际出发，充分利用既有优势资源与条件，研究制定最为符合实际的实施方案。
参考文献：
[1]吴宇平，万春荣.锂离子电池[M].北京：化学工业出版社，2002.
[2]陆安江，张正平，叶茂森.基于ATJ2085的按键电路设计[J].微纳电子技术，2016（21）：88-89.
[3]邓绍刚，汪艳，李秀清.锂电池保护电路的设计[J].电子科技，2006（10）：68-72.
[4]肖鹏，陈国呈，吴春华，等.一种新型光伏独立发电系统拓扑及控制策略[J].上海大学学报（自然科学版），2008，（6）.
[5]周林，武剑，栗秋华，等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术，2008，（6）.
论文作者:王姝,张丹蕊,蔡诗琦,杨光宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/26
标签：电池论文; 电压论文; 电流论文; 锂电池论文; 电路论文; 方法论文; 锂离子电池论文; 《防护工程》2018年第15期论文;