愛華網(wǎng)摘要:
本文通過簡述目前在移動(dòng)終端上對3種鋰離子電池充電模式(恒流恒壓法/恒流-改進(jìn)恒壓法/脈沖法)的定義,并實(shí)測3種模式下對同一塊容量的電池進(jìn)行充電,對充電數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析. 旨在解釋3種模式的充電設(shè)計(jì)思路以及它們之間的差異.
正文:
雖然這個(gè)話題看上去很老, 很多人都知道鋰離子電池充電是采用恒流恒壓的模式.
但是這里面還是有值得探討的地方.
首先給出通常移動(dòng)終端的電源管理拓?fù)鋱D:
PM-IC及其周邊電路從電源適配器(AC adaptor)獲得電流, 對電池進(jìn)行充電.以及對系統(tǒng)進(jìn)行供電管理.
這里不討論P(yáng)MIC的其他功能, 僅討論P(yáng)MIC的充電管理模式.
模式一、恒流恒壓法
這是最常規(guī)的鋰離子電池充電模式，也是算法最簡單的一種模式，甚至不需要進(jìn)行額外的運(yùn)算判斷，只需要在硬件上設(shè)定一個(gè)恒壓限流電路（比如萬能充電器）即可對所有鋰離子電池充電。
以下圖例為對一塊標(biāo)稱700mAh（實(shí)測容量為720mAh）的電池， 以500mA的恒流充電，4.2V恒壓充電的實(shí)測數(shù) 據(jù)
設(shè)定進(jìn)入恒壓段后， 以50mA的截止電流進(jìn)行充電終止判定。 整個(gè)充電過程持續(xù)2.5個(gè)小時(shí)。
這里提出幾個(gè)觀點(diǎn)：
1.鋰離子電池在開路的時(shí)候電池電壓為4.20V時(shí)為100％充飽。
因?yàn)殇囯x子電池存在不可避免的內(nèi)阻，充電的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生額外的電壓上升。所以為了可控的充飽電池，常規(guī)方法就是通過保持恒壓4.20V并逐漸減少充電電流來慢慢將電池充飽。理論上充電電流減少到0mA時(shí)才是100％充飽，但是考慮到實(shí)際使用，通常設(shè)定10％最大恒流（圖中為50mA）進(jìn)行充飽判定即可。
2.鋰離子電池的過充是發(fā)生在其充電量達(dá)到100％后的繼續(xù)充電，而不是看其在充電的時(shí)候電池電壓是否超過4.2V。這個(gè)觀點(diǎn)對下面的其他兩個(gè)模式有決定性的價(jià)值。
3.恒流恒壓模式通常情況下在恒壓段的時(shí)間要長于恒流段的時(shí)間， 導(dǎo)致充電時(shí)效性很低。
模式二： 恒流－改進(jìn)恒壓法
根據(jù)：上一段的幾個(gè)觀點(diǎn)， 引入改進(jìn)恒壓充電方法。 因?yàn)槌潆婋娏骱碗姵貎?nèi)阻這兩個(gè)值是可預(yù)設(shè)的。
所以在充電過程中，到達(dá)4.20V電壓后，適當(dāng)提升充電電壓（其值大小約為充電電流×電池內(nèi)阻），在這個(gè)電壓下充電，是可以保證電池不會(huì)發(fā)生過充，又能延長恒流充電階段，提高充電的實(shí)效性。
圖例：（仍然是對這塊700mAh的電池）
可以看到，在電池電壓超過4.20V后，充電管理并沒有切入到恒流模式，而是繼續(xù)保持恒流。直到4.28V后才逐漸減少充電電流，依據(jù)4.20V＋充電電流×電池內(nèi)阻這個(gè)電壓壓控制模式來控制電流。并最終在50mA的情況下接近4.20V的電池電壓。
整個(gè)充電過程持續(xù)2.0小時(shí)，比模式一縮短了0.5小時(shí)。其原因是以保證不過充的情況下提升充電電壓來加快充電的過程，即盡可能的保持最大允許充電電流）
模式三：脈沖法
以上兩種模式都是連續(xù)的電流對電池進(jìn)行充電，如果采用脈沖的模式，雖然最大電流沒有減小，但是因?yàn)檎伎毡鹊淖兓?，也可以達(dá)到控制電流的目的。如圖:
上述兩張截圖，雖然充電充電器的輸出電流都是500mA，但是通過改變脈沖寬度，有效平均電流分別變?yōu)?65mA和171mA。
并且，在脈沖的間隙，即在充電電流為零的波谷時(shí)間段里面來測量電池的電壓(電池的開路電壓)，可以避開因充電電流在電池內(nèi)阻上引起的額外升壓,就可以準(zhǔn)確獲得電池的真實(shí)電壓, 繼而獲得電池的準(zhǔn)確電量信息.
如圖：
上圖中可以測得電池開路電壓為4.13V，離充飽還有一定的電量。雖然其平均電壓已經(jīng)超過4.24V，甚至峰值電壓超過4.30V，但是電池仍然沒有充飽，可以繼續(xù)沖。
給出一張全階段的脈沖法充電圖（仍然針對700mAh的電池，充電電流恒流為500mA）
整個(gè)充電過程僅耗時(shí)1.6個(gè)小時(shí)。
比較和討論
橫向比較上面三種模式， 給出一份充電時(shí)間比較圖和對比表
| 恒流－恒壓 | 恒流－改進(jìn)恒壓 | 脈沖 | |
| 充飽時(shí)間 | 2.5小時(shí) | 2小時(shí) | 1.6小時(shí) |
| 全速率充電時(shí)間（拐點(diǎn)） | 1小時(shí)(40%) | 1.2小時(shí)(60%) | 1.3小時(shí)(81.3%) |
| 恒流（大電流）充電量比重 | 69％ | 80％ | 88％ |
充電時(shí)間系數(shù):  充電時(shí)間*恒流值/電池容量 | 1.74 | 1.38 | 1.11 |
可見, 以怎樣的設(shè)計(jì)思路用最快的速度接近100%充電電量而又不發(fā)生過充, 決定了這三種方式的充電速度快慢.
綜合其他, 脈沖模式除了可以有效的縮短鋰離子電池的充電時(shí)間這個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)外， 還有如下優(yōu)點(diǎn)：
－降低充電管理電路上的功率耗散，
－降低充電IC的發(fā)熱量
－提高充電效率
－對適配器的空載電壓適應(yīng)性提高，5～10V的充電器均能使用，只要適配器有限流輸出能力即可。
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以上所述適用單鋰離子電池模式工作的移動(dòng)終端。目前，大多數(shù)移動(dòng)終端的電源管理已經(jīng)采用脈沖法充電模式。
末了, 給出充電時(shí)間估算公式. 僅用于用戶粗略的估算.
1.恒流恒壓法充電時(shí)間約為:電池容量值/充電器輸出電流X1.5
此方法適用于座充.
2.脈沖法充電時(shí)間約為:電池容量值/充電器輸出電流X1.1
此方法適用于能提供脈沖法充電的手機(jī)直沖.
2010/01/24 gumphe
