リチウムイオン電池の充電原理と適切な充電電圧電流

本稿では、リチウム電池の充電回路原理から始まり、リチウム電池の原理を深く理解した上で、充電式電池の充電回路の設計を紹介し、適切な充電電圧と充電電流の選び方を詳細に分析します。 、日常では開けられないリチウム電池の基礎知識を、誰もが深く理解できるようにしたいと考えています。

リチウム電池充電回路の原理

I.リチウム電池とニッケルカドミウムおよびニッケル水素充電式電池：

リチウムイオン電池の負極性黒鉛結晶であり、正極は通常二酸化リチウムです。充電中、リチウムイオンは正極から負極に移動し、グラファイト層に埋め込まれます。放電すると、リチウムイオンはグラファイト結晶の負極表面から分離し、正極に移動します。したがって、バッテリーの充電および放電プロセス中、リチウムは常にリチウム金属の形ではなく、リチウムイオンの形で現れます。したがって、この種の電池はリチウムイオン電池、略してリチウム電池と呼ばれます。

リチウム電池には、小型、大容量、軽量、無公害、高い単一セクション電圧、低い自己放電率、およびより多くの電池サイクルという利点がありますが、価格はより高価です。ニッケルカドミウム電池は、容量が少なく、深刻な自己放電と環境汚染のために段階的に廃止されています。ニッケル水素電池は性能対価格比が高く、環境を汚染しませんが、単電圧は1.2vしかないため、使用範囲が限られています。

Ii。リチウム電池の特性

1.より高い重量エネルギー比と体積エネルギー比;

2.高電圧：単一のリチウム電池の電圧は3.6vであり、これは3つのニッケルカドミウムまたはニッケル水素化物充電式電池の直列電圧に等しい。

3.小さな自己放電は長期間保存できます。これは、バッテリーの最大の利点です。

4.メモリー効果なし。リチウム電池には、ニッケルカドミウム電池のようないわゆるメモリー効果がないため、リチウム電池は充電前に放電する必要がありません。

5、長寿命。通常の動作条件下では、リチウム電池の充電/放電サイクルは500回をはるかに超えています。

6.すぐに充電できます。リチウム電池は通常、電流の0.5〜1倍の容量で充電できるため、充電時間は1〜2時間に短縮されます。

7.自由に並行して使用できます。

8.バッテリーにはカドミウム、鉛、水銀、その他の重金属元素が含まれていないため、環境を汚染せず、現在最も先進的なグリーンバッテリーです。

9.高コスト。リチウム電池は他の充電式電池よりも高価です。

Iii。リチウム電池の内部構造：

リチウム電池には通常、円筒形と長方形の2つの形状があります。

バッテリーはスパイラル巻き構造でできており、正極と負極の間の非常に微細で透過性のあるポリエチレンフィルムセパレーターによって分離されています。正極には、リチウムと二酸化炭素で構成されるリチウムイオンコレクターと、アルミニウム膜で構成される電流コレクターが含まれます。負極は、シート状の炭素材料で構成されたリチウムイオンコレクターと銅膜で構成された集電体で構成されています。バッテリーは有機電解液で満たされています。異常状態での損傷や出力短絡からバッテリーを保護するための安全弁とPTCエレメントもあります。

単一のリチウム電池の電圧は3.6vであり、容量は無限ではありません。したがって、単一のリチウム電池は、さまざまな場面の要件を満たすために、直列および並列に処理されることがよくあります。文字列5

Iv。リチウム電池の充電および放電要件。

1.リチウム電池の充電：リチウム電池の構造特性によると、最大充電終了電圧は4.2vである必要があり、過充電することはできません。そうしないと、正極のリチウムイオンが多すぎるためにバッテリーが廃棄されます。その充電と放電の要件は高く、特別な定電流、定電圧充電器の充電に使用できます。一般に、定電流充電は、4.2v /ノードに達した後、定電圧充電に移行します。定電圧と充電電流が100mA未満に低下すると、充電が停止します。

充電電流（mA）=バッテリー容量の0.1〜1.5倍（例えば、1350mAhバッテリーの充電電流は135〜2025mAに制御できます）。従来の充電電流はバッテリー容量の約0.5倍で、充電時間は約2〜3時間です。

2.リチウム電池の放電：リチウム電池の内部構造により、放電時にリチウムイオンがすべて正極に移動することはできません。リチウムイオンをチャネルにスムーズに埋め込むには、一部のリチウムイオンを負極に保持する必要があります。次回充電時。そうしないと、それに応じてバッテリーの寿命が短くなります。放電後に一部のリチウムイオンがグラファイト層に残るようにするには、放電終端の最小電圧を厳密に制限する必要があります。つまり、リチウム電池は過放電できません。放電終了電圧は通常3.0v /ノードであり、最小電圧は2.5v /ノードより低くすることはできません。バッテリーの放電時間の長さは、バッテリーの容量と放電電流に関係しています。バッテリー放電時間（h）=バッテリー容量/放電電流。リチウム電池の放電電流（mA）は、電池の容量の3倍を超えてはなりません。 （1000mAHバッテリーの場合、放電電流は3A以内に厳密に制御する必要があります）そうしないと、バッテリーが損傷します。

現在、市販されているリチウム電池パックは、対応する充放電保護板で密閉されています。外部充電電流と放電電流を制御できる限り。

V.リチウム電池の保護回路：

2つのリチウム電池の充電および放電保護回路を図1に示します。これは、2つの電界効果管と専用の保護チップs-8232で構成されています。過充電制御管FET2と過放電制御管FET1を直列に接続し、保護ICによりバッテリ電圧を監視・制御します。バッテリー電圧が4.2vに上昇すると、過充電保護チューブFET1は充電を停止します。誤動作を防ぐために、通常、外部回路に遅延容量が追加されます。バッテリーが放電状態にあり、バッテリー電圧が2.55vに低下すると、過放電制御チューブFET1が遮断され、負荷への電力供給が停止します。過電流保護は、バッテリとFETを保護するために、負荷に大電流が流れると、FET1が負荷への放電を停止するように制御します。過電流検出は、FETのオンオフ抵抗を検出抵抗として使用し、電圧降下を監視し、電圧降下が設定値を超えると放電を停止します。突入電流と短絡電流を区別するために、一般に遅延回路が回路に追加されます。この回路機能は完璧で、性能は信頼できますが、専門性は強く、専用の集積回路ブロックは購入が容易ではなく、アマチュアはコピーが容易ではありません。

Vi。シンプルな充電回路：

現在、多くの企業が充電パッドなしで単一のリチウムイオン電池を販売しています。その優れた性能、低価格は、自家製の製品やリチウム電池の修理や交換に使用できるため、電子機器愛好家の大多数が愛しています。興味のある読者は、図2を参照して充電ボードを作成できます。その原理は次のとおりです。定電圧を使用してバッテリーを充電し、過充電しないようにします。入力DC電圧は、充電式バッテリー電圧より3ボルト高くなっています。 R1、Q1、W1、TL431は正確に調整可能な電圧レギュレータ回路を構成し、Q2、W2、R2は調整可能な定電流回路を構成し、Q3、R3、R4、R5、充電インジケータ回路用のLEDを構成します。二次電池の電圧が上昇すると、充電電流は徐々に減少します。バッテリーが完全に充電されると、R4の電圧降下が減少するため、Q3が遮断され、LEDが消灯します。バッテリーが十分であることを確認するために、インジケーターライトが消えてから1〜2時間充電を続けてください。使用する際は、Q2、Q3に適したラジエーターを取り付けてください。この回路の利点は、製造が簡単で、コンポーネントを購入しやすく、充電の安全性、直感的な表示であり、バッテリーを損傷しないことです。 W1を変更することで複数のシリアルリチウム電池を充電でき、W2を変更することで充電電流を広範囲に調整できます。短所：過放電制御回路がありません。図3は、充電ボードのプリント基板図です（コンポーネント表面からの斜視図）。

単一リチウム電池の使用例

1.バッテリーパックを交換して修理します

多くのバッテリーパックがあります。たとえば、ラップトップで使用されている種類のバッテリーパックは、個々のバッテリーの修理によってのみ損傷することがわかっています。交換用に適切な単一リチウム電池を選択できます。

2.明るいマイクロ懐中電灯を作る

著者は、単一の3.6v1.6ahリチウム電池と白い超高輝度発光管を組み合わせて、使いやすく、小さくて美しいミニチュア懐中電灯を作成しました。バッテリー容量の関係で、1泊30分という平均的な使用量で、充電せずに2ヶ月以上使用されています。回路を図4に示します。

3.3V電源を交換します

単一のリチウム電池の電圧は3.6vです。したがって、ラジオ、ウォークマン、カメラ、その他の小型家電製品に電力を供給するために、通常の2つの電池を1つのリチウム電池で置き換えることができます。軽量であるだけでなく、長時間の連続使用も可能です。

Viii。リチウム電池の保存：

リチウム電池は、保管する前に完全に充電する必要があります。 20℃以下で6ヶ月以上保存できるリチウム電池は低温保存に適しています。充電式電池は冷蔵庫に保管することが提案されていますが、これは確かに良い考えです。

Ix。使用上の注意：

リチウム電池は絶対に分解できず、穴あけ、穴あけ、のこぎり、圧力、加熱を行うと、深刻な結果を招く可能性があります。充電パッドのないリチウム電池は、短絡させたり、子供が使用したりしないでください。可燃性および化学薬品から遠ざけてください。スクラップリチウム電池は適切に廃棄する必要があります。 Iv。リチウム電池の充電と放電の要件。

1.リチウム電池の充電：リチウム電池の構造特性によると、最大充電終了電圧は4.2vである必要があり、過充電することはできません。そうしないと、正極のリチウムイオンが多すぎるためにバッテリーが廃棄されます。その充電と放電の要件は高く、特別な定電流、定電圧充電器の充電に使用できます。一般に、定電流充電は、4.2v /ノードに達した後、定電圧充電に移行します。定電圧充電電流が100mA未満に低下したら、充電を停止する必要があります。

充電電流（mA）=バッテリー容量の0.1〜1.5倍（例えば、1350mAhバッテリーの充電電流は135〜2025mAに制御できます）。従来の充電電流はバッテリー容量の約0.5倍で、充電時間は約2〜3時間です。

2.リチウム電池の放電：リチウム電池の内部構造により、放電時にリチウムイオンがすべて正極に移動することはできません。リチウムイオンをチャネルにスムーズに埋め込むには、一部のリチウムイオンを負極に保持する必要があります。次回充電時。そうしないと、それに応じてバッテリーの寿命が短くなります。放電後に一部のリチウムイオンがグラファイト層に残るようにするには、放電終端の最小電圧を厳密に制限する必要があります。つまり、リチウム電池は過放電できません。放電終了電圧は通常3.0v /ノードであり、最小電圧は2.5v /ノードより低くすることはできません。バッテリーの放電時間の長さは、バッテリーの容量と放電電流に関係しています。バッテリー放電時間（h）=バッテリー容量/放電電流。リチウム電池の放電電流（mA）は、電池の容量の3倍を超えてはなりません。 （1000mAHバッテリーの場合、放電電流は3A以内に厳密に制御する必要があります）そうしないと、バッテリーが損傷します。

現在、市販されているリチウム電池パックは、対応する充放電保護板で密閉されています。外部充電電流と放電電流を制御できる限り。リチウム電池充電回路設計：

1.トリクル充電ステージ。 （バッテリーの過放電および低電圧の条件下で）

3.0 V未満。リチウム電池内の媒体に物理的な変化があり、充電特性が悪くなり、容量が減少します。この段階では、リチウム電池はほんの少しの水でゆっくりと充電することができ、リチウム電池内の誘電体はゆっくりと通常の状態に戻ることができます。

2.定電流充電ステージ。 （バッテリーは過放電状態から通常の状態に戻ります）

ICの外部のピンは、決定するために抵抗で接続されます。抵抗値は、充電管理ICのデータシートの式に従って計算されます。

3.定電圧充電段階（85％以上が満杯、ゆっくりと補充）

リチウム電池の容量が85％（ほぼ値）に達すると、再び低速充電段階に入る必要があります。ゆっくりと電圧を上げます。最後に、リチウム電池の最大電圧は4.2vです。

リチウム電池端子に接続されているBATのピン出力。同時に、このピンはリチウム電池の電圧収集ピンでもあります。リチウム電池充電管理ICは、このピンを検出して電池の各状態を判断します。

A210電源図

5Vは、D2からスイッチSW2へ、および充電管理ICMCP73831によってリチウム電池に供給されます。 SW2の左点電圧は5V-0.7v = 4.3vです。リチウム電池の電圧は、フル状態と非フル状態の両方でSW2の左側のポイントで4.3vより低いためです。したがって、D1はカットオフです。充電管理ICはリチウム電池を正常に充電できます。

後段のD2とD1、LDORT9193はBATピン出力に直接接続されているため、充電ICに通電すると誤判定が発生します。 5Vに接続された外部電源がありますが、リチウム電池は充電されず、充電管理ICのLEDライト表示も間違っています。舞台裏負荷のLDOは通常の入力電圧を取得しません（入力電圧が非常に小さい）。この場合、充電管理ICの電圧入力ピンがBATピンに短絡して直接接続されている限り、すべての状態が再び正常になり、充電エネルギーを実行でき、舞台裏の負荷のLDOが実行されます。正常に動作します。

ICが電源に接続されている時点で、BATの状態を検出する必要があります。 LDOの入力ピンは、BATとリチウム電池のアノードを接続する分岐にも接続されています。これにより、BATピンの動作状態に影響を与え、充電管理ICがトリクル充電段階に入ります。 BATピンと充電管理ICの電圧入力を短絡してBATピンの電圧を強制的に上昇させると、充電管理ICはリチウム電池が定電流充電段階に入ったと判断し、大電流を出力します。 。舞台裏の負荷でLDOなどを駆動することができます。

D1とD2は、圧力損失の小さいダイオードを使用しています。ゲルマニウムダイオード、ショットキーダイオード、MOSFETスイッチングチューブなど。バッテリの切り替えが必要な設計では、順方向の電圧降下が10mVで、逆方向のリーク電流がないダイオードは、設計者にとって「贅沢」です。しかし、ショットキーダイオードは、300〜500mVの正の電圧降下で、断然最良の選択です。ただし、一部のバッテリスイッチング回路では、ショットキーダイオードでさえ設計要件を満たすことができません。効率的な電圧変換器の場合、節約されたエネルギーは、ダイオードの正の電圧降下によって完全に浪費される可能性があります。低電圧システムでバッテリーエネルギーを効果的に節約するには、ダイオードの代わりにパワーMOSFETスイッチを選択する必要があります。 SOTカプセル化とわずか数十ミリオームのオン抵抗を備えたMOSFETは、ポータブル製品の現在のレベルでのオン電圧降下を無視できます。

MOSFETから電源を切り替えるには、伝導電圧降下、MOSFET伝導電圧降下とバッテリー電圧の比較、効率損失としての電圧降下とバッテリー電圧の比率をダイオード化するのが最適です。たとえば、350mVの正の電圧降下を持つショットキーダイオードを使用してLi +バッテリー（公称値3.6v）を切り替える場合、損失は9.7％です。単三電池2本（公称値2.7v）の切り替えに使用した場合、損失は13％です。これらの損失は、低コストの設計では許容できる場合があります。ただし、高効率のDC-DCを使用する場合、DC-DCのコストは、MOSFETへのダイオードのアップグレードの効率改善のコストと比較検討されます。

MOSFETだけでなく、製品に使用されているバッテリーの放電特性も考慮に入れています。リチウム電池の放電特性は次のとおりです。

リチウム電池が室温で電力の90％を消費するとき、電圧は約3.5vのままになります。より良いLDOデバイスを選択してください。 3.5vでは、出力電圧は3.3vで安定したままになります。

LDORT9193の観点から、負荷抵抗が50オーム、負荷電流が60mAの場合、入力電圧と出力電圧の関係を次の表に示します。

2.8 V2.65 V

V3.3 3.4 V

4.0 V3.0 V

、リチウム電池が90％の電力を消費している場合でも、LDOの出力端は3.3vを安定して出力できます。図1A210の電源回路の分析によると、シリコンダイオードD1を追加した後、LDOの入力電圧= 3.5-0.7v = 2.8v。このように、モジュールが2.4vを回避できるプログラムを焼き尽くす限り、この回路でシリコンダイオードを使用することもできます。

回路性能の観点から、ゲルマニウムダイオードまたはショットキーダイオードが最良の選択です。

どの回路設計であるか、また自社製品、他の回路動作電圧範囲と特性、コスト、およびその他の考慮事項に基づく必要があります。

1.リチウムイオン電池の充電に最適な電流はどれくらいですか？

リチウムイオンバッテリーは、最初に定電流充電を必要とします。つまり、電流である必要があります。バッテリー電圧が4.2 V、4.1 Vの場合、定電流充電ではなく、定電圧充電が徐々に増加します。バッテリーの飽和度によっては、充電プロセスが徐々に低下し続けるため、0.01 Cに低下すると、充電の終了を検討してください。 （Cは、バッテリーの公称容量を電流と比較して表す方法です。たとえば、バッテリーの容量は1000mAh、1Cは充電電流1000mA、AhではなくmAであり、0.01Cは10mA。）0.01Cが充電終了と見なされる理由：これは国家標準GB / t18287-2000で規定されており、これについても説明されています。過去には、人々は一般的に20mAで終わりました。これは、郵便通信省の業界標準YD / t998-1999でも規定されています。つまり、バッテリ容量に関係なく、停止電流は20mAです。 0.01Cの国家標準は、より完全に充電するのに役立ちます。これは、メーカーが評価に合格するのに有利です。また、国の基準では、充電時間は8時間を超えてはならない、つまり、0.01℃に達していない場合でも、8時間を充電終了とみなします。 （バッテリーの品質は問題ありません。0.01Cから8時間以内である必要があります。バッテリーの品質は悪く、待機も意味がありません）リチウムイオンまたはリチウムポリマーバッテリーは1 Cの最高の充電率をパックします。つまり、1000mahのバッテリーは1000mAの急速充電電流であるため、このレートでの充電は最短の充電時間を達成でき、バッテリーパックの性能を低下させたり、寿命を縮めたりすることはありません。容量が大きくなる電池の場合、この十分な充電率を達成するためには、充電電流値を大きくすることが避けられません。

2.リチウムイオン電池の充電に最適な電圧はどれくらいですか？

リチウムイオン電池の公称電圧3.7v（3.6v）、充電カットオフ電圧4.2v（4.1v、セルブランドによるとデザインが異なります）電池の区別方法は4.1vまたは4.2vです：消費者は区別できません、これは、セルメーカーの製品仕様によって異なります。 A＆TB（Toshiba）など、一部のブランドのセルは4.1vおよび4.2vユニバーサルであり、国内メーカーは基本的に4.2vです。 4.1vセルを4.2vに充電するのはどうですか。バッテリー容量が増え、使いやすくなり、スタンバイ時間が長くなりますが、バッテリーの寿命は短くなります。 500から300にするとします。同様に、4.2vセルが過充電されると、その寿命が短くなります。リチウムイオン電池はデリケートです。バッテリーには保護板が付いていますのでご安心ください。いいえ、保護プレートのカットオフパラメータは4.35v（これはまだ良いですが、悪いものは4.4-4.5vです）なので、過充電するとすぐにバッテリーが減衰する場合に備えて、保護プレートを処理する必要があります毎回。

アップルiPhoneのバッテリー仕様は何ですか？

アップルiPhoneのバッテリー仕様は公称電圧3.7v、充電のカットオフ電圧は4.2v、バッテリー容量は1400mAhです。上で述べたことによると、最適な充電率は1Cであり、充電を開始するには1400mAに達する電流が必要であり、電圧は3.7vです。電圧が4.2vに達した後、0.01cに達するまで、つまり14mAが充電を停止するまで、定電圧充電が開始されます。

4. USBインターフェースと充電器の電圧と電流はそれぞれ何ですか？

USBインターフェースの電流は500mA、電圧は+ 5Vです。充電プロセスでHWinfoを開くと、ExternalPowerが表示されます。 1つはiPhone用に設計された500mA充電器です。結論として、USBを使用して充電すると、電圧は+ 5Vですが、電流はわずか500mAです。この方法は、質問1と2の回答を参照することでバッテリー容量を増やすことがわかっています。これは非常に使いやすいですが、バッテリーの寿命が短くなります。充電器を使って充電するとき、あなたは尋ねるかもしれません、あなたは最高のレートが1Cであると言いませんでしたか？そうすれば、iPhoneは1400mAの充電電流になるはずですが、国には規制があり、低電力充電の国家標準は0.2c（任意充電システム）です。iPhoneの1400mAh容量のバッテリーを例にとると、理論的には280mAです。バッテリーは小さいほど良いです。しかし、バッテリーを充電するのに3日待つことはできません。 （容量mAh =電流mA *時間h）アップルは0.7cを選択したので、ほとんどのバッテリーは0.5cから0.8cの間で5を選択できます！一部の人々が充電にUSBを使用していることは明らかです。これは長い時間のように感じますが、バッテリーの寿命を犠牲にします。