【锂离子电池充电】在恒流（CC）充电阶段，充电器从输入端接收充电电流（A），当电池达到设定的恒定电压时，切换到饱和充电（CV）恒压充电阶段附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

一、技术背景与 CC-CV 充电必要性

锂离子电池（如三元锂、磷酸铁锂）因能量密度高、循环寿命长，广泛应用于消费电子、新能源汽车、储能系统等领域。但其电化学特性对充电过程要求严苛：过度充电易导致锂枝晶析出（引发短路风险），充电电流 / 电压波动会加速电极材料衰减，因此需采用恒流 - 恒压（CC-CV）两阶段充电策略，核心目标是实现 “快速充电 + 电池保护” 的平衡：

• 快速补能：CC 阶段以恒定大电流快速注入能量，解决充电效率问题；

• 安全饱和：CV 阶段以恒定电压限制充电电流，避免过充，确保电池容量充满且无安全风险；

• 寿命保护：避免充电后期大电流导致的电极极化，延长电池循环寿命（如磷酸铁锂电池采用 CC-CV 充电，循环寿命可提升 20%~30%）。

二、CC（恒流）充电阶段：电流控制与能量注入机制

CC 阶段是充电初期的核心环节，充电器需从输入端（如市电、车载电源）稳定输出设定电流，将电池电压从放电截止电压（如三元锂 3.0V、磷酸铁锂 2.5V）提升至切换电压（如三元锂 4.2V、磷酸铁锂 3.65V），关键技术细节如下：

（一）充电器电流控制原理

充电器通过 “AC-DC 整流 + DC-DC 降压 + 电流反馈闭环” 实现恒流输出，核心模块包括：

1. 整流滤波模块：将输入端交流电（如 220V 市电）整流为直流电，通过电容滤波降低纹波（纹波系数≤5%）；

1. DC-DC 转换模块：采用 Buck 变换器（降压拓扑），通过 PWM（脉冲宽度调制）调节开关管占空比，将整流后的高压直流（如 310V）降至电池充电所需电压（随电池电压逐步提升）；

1. 电流反馈闭环：串联电流采样电阻（如 0.01Ω 精密电阻）实时检测输出电流，将采样信号反馈至控制器（如 MCU、DSP），若实际电流低于设定值，控制器增大 PWM 占空比（提升输出电压）；若电流高于设定值，减小占空比（降低输出电压），确保电流波动范围≤±2%（如设定 1A 电流，实际输出 0.98~1.02A）。

（二）CC 阶段关键参数与影响因素

1. 充电电流设定：需根据电池容量（C）与应用场景选择，常见取值为 0.5C~1C（如 2000mAh 电池，0.5C 对应 1A 电流，1C 对应 2A 电流）：

• 消费电子（手机、平板）：多采用 0.5C~0.8C，平衡充电速度与发热；

• 新能源汽车：快充场景采用 1C~3C（如 100Ah 电池，3C 对应 300A 电流），需配合液冷散热；

• 储能电池：多采用 0.2C~0.5C，优先保障循环寿命。

1. 电池状态变化：CC 阶段电池电压随充电时间近似线性提升，充电容量逐步增加（通常 CC 阶段可充入总容量的 70%~80%），电极反应以 “锂离子从正极脱嵌→穿过电解液→嵌入负极” 为主，无明显极化现象（极化电压≤0.1V）。

1. 异常保护机制：

• 过流保护：若电流突增至设定值 1.5 倍以上（如线路短路），充电器触发过流保护，切断输出；

• 过温保护：通过 NTC 热敏电阻检测电池温度，若温度＞45℃（三元锂）或＞60℃（磷酸铁锂），降低充电电流至 0.2C 以下，避免热失控。

三、CV（恒压）充电阶段：电压切换条件与电流衰减特性

当 CC 阶段电池电压达到设定切换电压（如三元锂 4.2V / 单体、磷酸铁锂 3.65V / 单体）时，充电器自动切换至 CV 阶段，核心是通过恒定电压限制充电电流，确保电池安全饱和，关键技术细节如下：

（一）切换条件与电压控制逻辑

1. 切换触发机制：充电器通过电压采样电路（如分压电阻网络）实时检测电池端电压，当电压连续 3~5 个采样周期（每个周期 10~20ms）稳定达到设定切换电压时，触发阶段切换（避免电压波动导致误切换）；

1. CV 阶段电压控制：切换后，充电器将控制目标从 “恒流” 转为 “恒压”，通过电压反馈闭环调节 PWM 占空比：

• 若电池端电压低于设定值（如 4.2V），增大占空比提升输出电压；

• 若电压高于设定值（如 4.21V），减小占空比降低输出电压，确保电压波动范围≤±0.5%（如 4.2V 设定值，实际输出 4.19~4.21V）。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 陈琛,何乐年.恒流/恒压充电方式的锂电池充电器芯片[J].半导体学报：英文版, 2007, 28(7):6.DOI:10.3969/j.issn.1674-4926.2007.07.006.

[2] 陈琛,何乐年.恒流/恒压充电方式的锂电池充电器芯片[J].半导体学报, 2007.DOI:JournalArticle/5aeae412c095d70944f78067.

[3] 陈琛,何乐年.恒流/恒压充电方式的锂电池充电器芯片[J].半导体学报:英文版, 2007.

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