锂电池的充电原理以及快充原理

参考资料： 电池研究 | 锂离子电池快充原理 解析锂电池的充电的整个过程！

锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。

锂电池充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电器的操作，其中包括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。

锂电池的充电方式是限压恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充电方式如下：

先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1/10，电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为 4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

具体充电曲线见下图：

阶段1：涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA)，

阶段2：恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V.

阶段3：恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01C时，认为充电终止。（C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA。）

阶段4：充电终止——有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口(通常为0℃至45℃)，那么充电会暂停.

充电结束后,如检测到电池电压低于3.89V将重新充电。

各大手机厂商都推出了自家的快充技术，其原理是提高充电的电流和电压，来实高功率充电。简单来说，充电端口的输入功率=输入电压 x 输入电流。一般手机充电器会有一个充电曲线，通过控制不同的电压和电流，来实现最高的充电效率。

普遍来说，最高效的方式开始都是恒流充电（充电速度较快），然后是恒压充电（充电速度下来了，因为电池本身的电压上去了），最后是涓流充电（在充满电后，补偿因自放电而造成的容量损失）。

现在大多数手机使用的都是采用高通Quick Charge充电技术来实现，从最开始的1.0标准，到现在最新的4.0标准，标准越高充电效率越高。QC 1.0突破USB-IF关于USB Battery Charge 1.2的协议，电压电流提升到5V2A，充电时间缩短40%。快充真正意义上的提升是从QC 2.0开始，通过握手协议，让充电器与手机互相识别，握手后再提高传输电压，最高可达20V，虽然电流不变，但充电的效率提升了近75%。QC 3.0则是在2.0的基础上，引入最佳电压智能协议（INOV）算法，准确控制充电的电压，输入电压达到了200mV一档的自适应调节，性能有了近38%的提升同时降低了损耗，此时凭借电压的可控，电流提升至3A。

上图中横坐标为时间，纵坐标为锂电池电压。由于锂电池的特殊性，过压或者欠压都会导致电池报废，所以现在的锂电池充放电保护电路原理就是测量锂电池电压，再根据电压判断锂电池是否处于正常状态（非过压、非欠压）。

锂电池的充电电流如上图粉红色线所示。锂电池的充电分为三个阶段，分别是恒流预充电、大电流恒流充电与恒压充电。当电压低于3.0V时，充电器会采用100mA电流对锂电池进行预充电，就是上图C C Pre-charge阶段，中文名字叫恒流预冲电阶段，目的是慢慢恢复过放电的锂电池，是一种保护措施来的。合格的充电器都会有这个充电阶段。

然后与问题有关的就来了。当锂电池电压高于3.0V时，就进入到第二阶段，大电流恒流充电阶段（C C Fast charge）。由于锂电池经过第一阶段的预充，其状态已经比较稳定了（预充阶段的作用可以这样理解，但并不严谨）。所以在第二阶段，充电电流就可以适当提高，根据不同的电池来说，这个电流的大小可以从0.1C到几C不等，其中C是指电池容量，如2600mAh的锂电池，0.1C就是指260mA大小的电流。在这一个充电阶段中，国家建议的标准充电是用0.1C电流进行充电的，这个就是标准充电。不过标准充电这个标准由于提出的时间很早，十几年前的就提出来。那时候因为锂电池技术远远不如现在稳定（不允许大电流充电），所以才会有这样一个标准~~~采用标准充电的唯一好处就是充电过程稳定，发生爆炸之类的几率非常小；缺点就是费时间！

而快速充电，就是指在这个阶段用大于0.1C的电流进行充电。如果锂电池容量为2600mAh，那么标准充电的电流为260mA，只要充电电流大于260mA，就可以定义为快速充电了。不过就从目前的锂电池水平与充放电管理芯片的水平来说，用1C的电流充电都没问题。所以快速充电也没有想象中的那么危险。

一般快速充电的充电电流为0.2~0.8C，所以快速充电还是安全的。由于近几年来的提升，现在的充电器基本上都是快充类型的。而锂电池充电的最后一个阶段为恒压充电阶段，这个阶段就是检测到锂电池电压等于4.2V时，充电器则进入恒压充电模式，这个阶段充电电压恒定为4.2V，充电电流则越来越小（慢慢充满了，电流肯定变小~）。当充电电流小于100mA时，就判断电池充满，切断充电电路。

这一阶段的特性，也可以解释为什么手机指示充满电后，拔出USB线再插进去，手机又显示继续充电。另外，需要说一下的是：以上的充电是针对于单节锂电池的最理想充电过程，目前的合格锂电池充放电保护板都是这样子工作的。

电瓶车的电瓶一般有铅酸蓄电池和锂电池两种。这些电瓶都是由若干的电池成组而成的（铅酸蓄电池类型的由6个或者8个串并联组成；锂电池类型的则由若干个锂电池串并联组成）。而涉及到电池组的充电方式，这里又有另外的一个大问题了，就是电池均衡问题。

快速充电是指充电电流大于0.1C的充电方式，这种充电方式对于单个锂电池来说，对寿命与稳定性等的影响非常小；但是如果对于电瓶车电池组来说的话，快充就是用时间换取电池寿命的一种行为。

使用标配充电器对电瓶车充电没问题，但是对于那些打着10分钟充满电的充电站来说，就要注意了，使用这些充电站绝对大大影响电池寿命。另外，对于电池组来说，电池均衡意义更重要。快充对电池组的寿命有影响正是因为电池组均衡问题没有解决。

锂电池不能冲的很满，因为冲的满会导致阴极阳极见的隔离层被形成的dendrite穿透，这样子电池就废了。真正在使用中对电池影响寿命的是散热管理和单个电池的充放电管理，也就是均衡管理。过快速的充电会散发大量的热，肯定会减少电池使用寿命，但是在平时使用中不科学的管理模式对电池的损伤其实更大。

电池快充一定伴随着大电流，随之而来的发热不可避免，然而发热一定会带来电解液的挥发，所以快充一定是减小电池寿命的。