1.3 直流充電電源

1.3.1 充電電池的種類和使用方法

1.常用充電電池的種類

充電電池，是指充電次數有限的可充電的電池，配合充電器使用，現在一般充電次數在1000次左右。充電電池的好處是經濟、環保、電量足，適用于大功率、長時間使用的電器（如隨身聽、電動玩具等）。常用充電電池主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、鐵鋰電池5種。市場上出售的充電小電池除鋰電池外，主要有5號、7號充電電池，但也有1號充電電池。

1）鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池具有無須均衡充電、使用壽命長、內阻小、輸出功率高、自放電小、成本相對較低等特點，是目前世界上應用最為廣泛的電池產品。此類電池單體電壓高（2V），主要用于汽車、摩托車的啟動，應急照明系統、UPS不間斷電源系統等大功率場合。改進型全密封免維護鉛酸蓄電池，免去補充溶液的問題，使用更方便。

2）鎳鎘電池

鎳鎘（Ni-Cd）電池，單體電壓1.2V，可代替普通電池，有充電記憶效應，如果沒有完全放電就充電，會令容量降低。

3）鎳氫電池

鎳氫（Ni-MH）電池，單體電壓1.2V，容量比鎳鎘電池高30%～60%，屬環保型、無記憶電池。鎳氫電池價格便宜，標準型號，但自放電較大。

4）鋰（Li-ion）電池

鋰（Li-ion）電池主要應用于手機、DV、筆記本電腦中，單個電池電壓是3.6V，通常不做成5號電池的形式，具有容量大、質量輕、電壓高等特點，但不耐儲存，價格較高，基本上是“專款專用”，通用性差。

5）鐵鋰電池

鐵鋰（LiFePO4）電池是一種新型動力電池，具有輸出效率高、常溫時性能良好、不燃燒、不爆炸、循環壽命長、快速充電、環境無污染等特點，受到各方面的重視。鐵鋰電池的標稱電壓是3.2V，終止充電電壓是3.6V，終止放電電壓是2.0V。主要應用在大型電動車輛、輕型電動車、電動工具、太陽能及風力發電的儲能設備、UPS等領域。

這里舉一個用鐵鋰動力電池替代鉛酸蓄電池的應用實例。采用36V/10A·h(360W·h)的鉛酸蓄電池，其質量為12kg，充一次電可行走約50km，充電次數約100次，使用時間約1年。若采用鐵鋰動力電池，采用同樣的360W·h能量（12個10A·h電池串聯組成），其質量約4kg，充電一次可行走80km左右，充電次數可達1000次，使用壽命可達3～5年。雖然說鐵鋰動力電池的價格較鉛酸蓄電池高得多，但總的經濟效果還是采用鐵鋰動力電池更好，并且在使用上更輕便。

2.充電電池的正確使用方法

正確使用充電電池，可以延長電池的壽命或者減緩電池容量的衰退。充電器一定要與電池配對使用, 充電器的充電電壓、充電電流、充電保護等都是充電器的核心，直接決定電池能否充滿和電池壽命。看清充電器的輸出電壓、充電電流以及說明書，必須明確可充哪些電池（包括電池種類、電池容量、電池尺寸等）。鋰電池必須選用專用充電器，否則可能會達不到飽和狀態，影響其性能發揮。

充電電池使用注意事項如下：

（1）正確選用配對的充電器。

（2）電池在充電過程中請不要拔下外接電源。

（3）使用電池時，請盡量全部用完再充電，并且一次就將電量充滿。

（4）如果使用電池的電器長時間不用，請拔下電池，將電池單獨存放。

（5）電池單獨存放時間建議不要超過1個月，并保證每隔1個月左右就對電池進行充電。

（6）電池單獨存放前，請保持電池電量大于80%。

（7）電池應置于溫度范圍－10～35℃的干燥環境中存放，避免陽光直射。

（8）對于鎳鎘電池、鋰電池，其破損后會污染環境，同時又有一定的危險性，請不要隨意拆卸、丟棄。

1.3.2 蓄電池充電器

鉛酸蓄電池由于其固有的特性，若使用不當，壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，采用正確的充電方式，能有效延長蓄電池的使用壽命。

1.常規充電法

（1）恒流充電法。恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯電阻，保持充電電流強度不變的充電方法。這種充電方法控制簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產生氣體，使出氣過甚。

（2）階段充電法。此方法包括二階段充電法和三階段充電法。

① 二階段充電法是采用恒電流與恒電壓相結合的快速充電方法，如圖1-23所示。首先，以恒電流充電，蓄電池電壓上升至預定的電壓值，然后，改為恒電壓方式完成剩余的充電，充電電流逐漸下降。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段恒電壓充電的電壓。恒電壓充電時要嚴格掌握充電電壓，如果浮充電壓過低，則蓄電池會充不滿；如果浮充電壓過高，則會造成過量充電，縮短蓄電池壽命。例如，額定電壓為12V的蓄電池，其充電電壓應在13.5～13.8V之間。

② 三階段充電法，在充電開始以恒電流I1充電，到T1時刻改用恒電壓U2充電，到T2時刻以恒電流I3充電直至充電結束，如圖1-24所示。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，會受到一定的限制。

2.快速充電法

下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。這些方法都是圍繞著最佳充電曲線進行設計的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼近蓄電池的最佳充電曲線。

（1）脈沖式充電法。脈沖式充電法首先是用脈沖電流對電池充電一段時間，然后讓電池停充一段時間，再用脈沖電流對電池充電一段時間，再停充一段時間，如此循環，周期為T，如圖1-25所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使濃差極化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池充電電流接受率。

（2）變電流間歇充電法。這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電基礎上，如圖1-26所示。其特點是將恒流充電段改為變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證較大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復至完全充電態。通過間歇停充，使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使濃差極化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，使下一輪充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。

（3）變電壓間歇充電法。在變電流間歇充電基礎上提出了變電壓間歇充電法，如圖1-27所示。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。

比較圖1-26和圖1-27可以看出，圖1-27更加符合最佳充電的充電曲線。在每個恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數規律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。

3.一種實用蓄電池充電器

圖1-28所示是一種實用的鉛酸蓄電池充電器電路，具有過電流自動保護和電池極性接反報警等功能，可用于10～20A·h的12V鉛酸蓄電池充電。

（1）電路組成。該鉛酸蓄電池充電器由電源電路、充電電路、電壓控制電路、電流控制電路和電池極性接反報警電路組成，如圖1-28所示。

電源電路由電源變壓器T，整流二極管VD1、VD2，濾波電容器C1～C6和三端穩壓集成電路IC3（CW78H12）組成。

充電電路由電阻器R1、R6～R8、晶體管VT1、VT2和充電指示發光二極管VL3組成。

電壓控制電路由比較放大器IC2（CA3130）、電阻器R9～R11、電位器RP2、穩壓二極管VS、電容器C8和發光二極管VL2組成。

電流控制電路由電阻器R1～R5、電位器RP1、比較放大器IC1（CA3130）、電容器C7和發光二極管VL1組成。

電池極性接反報警電路由蜂鳴器HA和二極管VD3組成。

（2）電路工作原理。交流220V電壓經變壓器T降壓后分為兩路：一路經二極管VD2半波整流、C3濾波及IC3穩壓后，產生+12V電壓，供給IC1和IC2；另一路經二極管VD1半波整流及C1濾波后，作為充電電壓，經R1加至晶體管VT2的發射極。

在蓄電池GB的端電壓低于13.5V時，IC2的3腳（正輸入端）電壓高于2腳 (反相輸入端)電壓，6腳輸出高電平，VT1和VT2導通，蓄電池GB開始充電，同時充電指示燈VL3點亮。

當蓄電池GB充滿電（端電壓達到13.5V）時，IC2的2腳電壓高于3腳電壓（4.7V），IC2的6腳輸出低電平，使充滿指示燈VL2點亮，VT1和VT2截止，充電結束。調整RP2的阻值，使蓄電池充滿電后VL2點亮。

IC1的3腳（正相輸入端）為基準電流端，2腳（反相輸入端）為電流檢測端。在蓄電池正常充電時，IC1的2腳電壓低于3腳電壓，6腳輸出高電平，VL1不發光。當某種原因（如被充蓄電池中某一格極板短路）使充電電流偏高時，IC1的2腳電壓將高于3腳電壓，6腳輸出低電平，使故障指示燈VL1點亮，VT1和VT2截止，充電電路停止充電，直到充電電流恢復正常。RP1用來設定最大充電電流。

在蓄電池GB的極性與電路連接正確時，二極管VD3不導通，蜂鳴器HA不發聲。若GB的極性接反，則VD3導通，蜂鳴器HA發出報警聲，提示蓄電池的極性接反。

1.3.3 手機萬能充電器

如圖1-29所示為一種實用的手機萬能充電器電路，可用于容量為250～3000mA·h鋰離子、鎳氫電池的充電。充電時，七彩燈（CH燈）閃爍，發出絢麗多彩的七彩光芒，充滿電后熄滅。電路內設有自動識別線路，可自動識別電池極性；輸出4.2V標準電壓，能自動調整輸出電流，使電池達到最佳充電狀態，能保護電池，延長電池的壽命。

本電路可分為開關電源和充電電路兩部分，以C4為界，左半部分（包括C4）為開關電源部分，提供9V直流電壓；右半部分為充電電路部分，輸出4.2V標準電壓。

1.開關電源

當接入電源后，通過整流二極管VD1得到100V左右的直流電壓，經R1、R2給開關管VT1提供啟動電流，使VT1開始導通，其集電極電流Ic1使L1中流過電流線性增長，產生上端為正的感應電動勢，經變壓器T耦合，在L2兩端產生上端為正的感應電壓，再經C1、R13、R2加到VT1的發射結，產生VT1基極為正、發射極為負的正反饋電壓，使VT1很快飽和導通，并在L1中儲能。與此同時，感應電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電流逐漸變低，到某個時刻會使VT1退出飽和區；由于Ic1開始減小，將在L2中感應出使VT1基極為負、發射極為正的正反饋電壓，使VT1迅速截止；這時二極管VD3導通，將原先在L1中的儲能通過次級繞組L3釋放給負載。在VT1截止期間，直流輸入電壓又經R1、R13給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態，電路就這樣重復振蕩下去。最終由變壓器T的次級繞組L3向負載輸出所需要的脈沖電壓，再經VD3高頻整流和C4濾波后，獲得9V直流電壓，供給充電電路。

2.充電電路

在充電電路中，CH為七彩發光二極管，與VT2組成充電指示電路；PW為電源指示燈，與R7組成電源通電指示電路；VT4～VT7組成電池極性自動識別電路。

當充電端1接電池正極、充電端2接電池負極時，充電回路是：電源正極→VT5發射極→VT5集電極→充電端1→充電電池→充電端2→VT7飽和導通→電源負極。當充電端2接電池正極、充電端1接電池負極時，充電回路是：電源正極→VT4發射極→VT4集電極→充電端2→充電電池→充電端1→VT6飽和導通→電源負極。因此，通過電池極性的自動識別，保證充電回路自動工作。