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明 道 學 術 論 壇
1(1)：31-42(2005)
MingDao Journal 1(1)：31-42(2005)
Copyright@2005 MingDao University
鋰離子電池充電控制器之研½
林慧英
1,*
1
鍾翼½
2
曾國境
3
大葉大學電機工程學系學生
2
大葉大學電機工程學系副教授
3
大葉大學電機工程學系助理教授
摘
要
本文之主要研究動機乃在研½½單價之車充充電器，改善傳統鋰離子電池充電方式，
½在不½響電池之循環½用½½的條件下，½夠縮短充電所需時間，並且提高充電效½並
依據鋰離子電池充電特性研究其基本原理、功½及特點，並½½量測一個實例。
關鍵字：電池充放電、鋰離子電池
*通訊½者. Tel.：04-8321247
E-mail address：s8803031@ms68.hinet.net
31
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鋰離子電池充電控制器之研½／林慧英等
壹、前言
近年來，各種攜帶式的電子產品成為
市場上的熱門，如手機、數½相機、筆記
型電腦等
3C (Computer, Communication,
Consumer Electronics)等等產品均朝向無
線化、可攜帶化方向發展，對於產品的各
項高性½元件也往「輕、薄、短、小」的
目標邁進，因此對於體積小、重量輕、½
量密度高的二次電池需求相當迫切，因此
如果沒有”電池”的供應，英雄亦無用武之
地，所以電池工業也½隨著科技產品的腳
步，研發出各種不同用途的電池，來符合
攜帶式電子裝備的需求，½可攜式的電子
產品攜帶更方便，½用時間更長等½處。
然而目前電池的主流是以鎳氫電池及鋰離
子電池取代先前的鎳鎘電池，特別是鋰離
子電池為主流。鋰離子電池具有工½電壓
高(3.7V)、½量密度大(120Wh/kg)、重量
輕、½½長及環保性½等優點，皆以鋰離
子電池做為其½來源，因此電子產品的½
用量迅速成長，各種可摧帶式電子產品的
研發不得不更輕薄短小以½產品½更具有
競爭力，”電池”的角色顯得更加重要，其
品質的良莠甚至決定了產品的成功與否，
特別是可充電之二次電池，在市場中成長
快速、利½高，目前已成為許多先進國家
競相發展的研究項目。[1]-[9]
效率的½用電池，過去已有諸多的文獻研
發了許多快充技術，而快速充電器的目的
是為了縮短充電時間、延長電池½½和½
電池安全的充電。[10]
電池充電時，電子由充電器外部經過
負極的碳材料，而同時正極材料的鋰離子
則 離 開 正 極 經 過 電 解 液 進 入 負 極
;放
電
時，電子和鋰離子則反向而行。正常½用
下，鋰離子電池的充放電循環½½可達
500
次(即
500
次時，電容量仍在原容量
80%以上)。鋰離子電池充½時，在無負載
時電壓為
4.1~4.2V
電½若是½於
3.2V
左
，
右會產生電壓陡降，一般手機會以沒電來
表示，事實上是電壓不足不½再工½了。
½的充電器是依照鋰電池特性而設計的。
第 一 段 充 電 是 定 電 流 充 電
(0.5C~1C
充
電) 等到
90%額定電壓時再以定電壓充電
，
的方式讓電池達到最½電容量狀量。可再
充電鋰離子電池在很多方面比其他電池具
有優勢，主要是鋰離子電池具有高½量密
度、高工½電壓及平穩放電特性等優點，
½其更適合用½攜帶型應用的電源。
鋰電池提供了較高的½量密度(可高
達
200 Wh/kg，300-400 Wh/L)以及較高的
電池電壓(以碳為½極的電池為
4.1V，以
石墨為½極的電池是
4.2V)。電池½½的
關鍵是選擇合適的電流、電壓和溫度等充
電參數。在充電期間所½用電壓的精度對
於電池的效率和½½有非常重要的½用。
超過截止電壓會導致過度充電，短期來看
是增加了電池的可用½量，½是長期來看
將會引起電池耗損，並且可½導致安全問
題。
鋰離子電池的充電過程通常可分為三
個階段：電池活化(conditioning)階段(預先
32
貳、鋰離子電池充放電過程基本
原理
大部分的行動電話½用泛用的鋰電池
充電器 因此對一個
1100mAh
的鋰電池充
，
電，約需花費
3-4
小時的時間。為了更有
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調節階段)、定電流階段(穩流階段)和定電
壓階段(穩壓和充電結束階段)。電池活化
階段通常會將電流控制在快速充電的
10%，以便發現有問題的電池；定電流階
段的充電電流通常是由一顆外接感測電阻
來設定，它會連接至電池的高端或½端，
充電速率應設定在電池規格的建議範圍
內，最後的定電壓階段則應將電池電壓限
制在電池規格範圍。隨著電池不斷充電，
充電電流會逐漸減少，當它小於結束充電
的臨界電流，充電電壓又保持在最大值，
系統就會停止充電，單顆電池的最大電壓
通常在
4.1V
至
4.2V
之間。若電池電壓降
至預先設定的再充電電壓臨界值以下，充
電系統就應自動開始充電，½接上充電器
的電池一直保持在滿電力狀態。[11]
- [14]
二極體
D
因反向偏壓而截止，電容器
C
被
充電。
而圖中開關之主要功½乃為控制½量
之儲存與傳送之方向，其分別由電晶體
(BJT)或是 MOSFET
或是
GTO
與交流二極
體(或稱飛輪二極體體)所組合而成。至於
電感(或稱為扼流圈)其½用在於傳送與儲
在½量，以及濾除交流雜訊波(電流之部
½)。另外電容器其主要½用也在於傳送與
儲存½量，以及濾除交流雜訊波(電壓之部
½)。
若
Q1
截止時，電感器
L
開始釋放½
量且兩端電壓極性被反向，如此½得二極
體
D
因順偏壓而導通，電感器
L
上的之電
流呈線性下降，並將½量供應至負載。當
Q1
截止時，若電路中沒有二極體
D
則儲
存在電感器上之½量就沒有迴路可以釋
放，如此將造成瞬間
di
之½用，產生很
dt
大的電壓尖波，½得功率元件遭受破壞，
另在½換器中的
LC
部½構成一½通濾波
器，由於功率開關的交換動½，½得輸出
電壓產生交流鏈波，因此
LC
濾波器之功
½在於降½漣波而達到濾波之½用。其輸
入電壓對輸出電壓之關係式為：
Vo/Vin=D
電壓。
＋
參、ＤＣ／ＤＣ½換器的原理
常見的ＤＣ／ＤＣ½換器有降壓型
（Buck）、升壓型（Boost）和降-升壓型
三種，其電路架構分別如圖一、圖二及圖
三所示。不論是降壓型或升壓型½換器主
要½是藉
MOSFET
的導通週期的大小來
控制輸出電壓的高½。其中以降壓型比較
常被½用 而½功率的升降壓型
IC
以電腦
，
的主機板的½用量最大，近年來手機及
PDA
的 電 源 ½ 換 部 分 ½ 用 量 亦 逐 漸 增
加。[15]
一、降壓型½換器
圖一為降壓型½換器基本架構，是由
一個功率電晶體
Q1、二極體 D、LC
濾波
器與負載所組成，簡單來說，當功率電晶
體
Q1
在導通狀態時 電感器
L
開始儲½，
，
½得電感上電流增加，電流呈線性上升，
33
－
VD
D≦1
(1)
因此，輸出電壓永遠不可½大於輸入
控制
電路
Q
1
+ VL
-
+
D
C
R
L
V0
-
回 授 電 路
圖一 降壓型
DC-DC
½換器電路簡圖
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+
VL
-
D
＋
L
R1
控制
電路
Q
1
+
VD
C
R2
R
L
V0
-
－
回 授 電 路
圖二 升壓型
DC-DC
½換器電路簡圖
制電路來控制
MOSFET
的工½週期 以達
，
到穩壓得效果。
其輸入電壓對輸出電壓之關係式為：
Vo/Vin=1/(1-D)
電壓。
圖三 升降壓型
DC-DC
½換器電路簡圖
換言之，降壓型½換器在
MOSFET
導（ON）時，V
D
會有電流流過電感Ｌ，
½½量儲存在電感上 而當
MOSFET
截止
，
（OFF）
時電感上的½量會釋放到
R
L
上以
維持電壓的輸出，藉由回授電路把輸出電
壓回授到控制電路來和參考電壓做比較，
而後控制
MOSFET
工½週期的大小 達到
，
輸出穩定的目的。
二、升壓型½換器
如圖二所示，升壓型½換器和降壓型
½換器所½用的元件種類相同，½是電路
結構不一樣，當
MOSFET ON
時，V
D
一樣
會向電感充電，½量儲存於電感上，當
MOSFET OFF
時，由於楞次效應的結果電
感電壓反向，而且加上輸入電壓
V
D
透過
二級體Ｄ構成迴路，½輸出電壓
V
O
會大
於輸入電壓
V
D
，而為½得輸出電壓穩定，
則藉由電壓回授取
R
2
電阻上的電壓至控
34
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D≦1
(2)
因此，輸出電壓永遠不可½小於輸入
三、升降壓½換器(Buck-boost
Converter)
升降壓兩用½換器是將降壓½換器與
升壓½換器串聯。再經化簡而得(圖三)，
此½換器同時具有升壓與降壓的功½，至
於是½種功½則是由功率開關導通的時間
來決定，其輸入電壓對輸出電壓之關係式
為：
Vo/Vin=D/(1-D) D≦1
之大小，可得到升壓或降壓的功½。
一個優質的ＤＣ－ＤＣ½換器至少應
具有下列特點：[16]-
[17]
1.
½換效率高於
90％以上。
2.
具短路保護功½。
3.
具過電壓保護功½。
(3)
因此 輸出電壓藉由適當的調整
D
值
，
肆、相關研究
充電方法的½壞直接½響到電池的½
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½，尤其過度充電是造成電池損壞的最大
原因。為了將充電時間最½化與確保安全
快速充電而不損壞電池½½，廣範的了解
電池特性是必要的。所以，我們將針對這
三種充電模式之工½原理½一說明：
(1)
定電流定電壓充電法
圖四為定電流定電壓之充電電路，在
充 電 初 期 先 以 大 電 流 對 電 池 充
，
(BulkCharge)
此階段必須保持充電電流的
穩定，故稱為定電流充電[18-20]；當電池
電壓漸漸上升至滿充點後，電池電壓便不
再上升，並保持在此滿充電壓點，這時候
電池實際上並未達滿充½和狀態，所以必
須持續充電，而充電電流將會隨充電時間
的增加逐漸遞減，直到滿充截止，此階段
即為定電壓充電，所以又稱為二階段式充
電法。如圖五之時序所示，T1 為定電流充
電時段
T2
以後則為定電壓充電時段
[20]
，
。
(2)
脈波寬度調變(PWM)充電法
圖六為脈波寬度調變之充電電路，脈
波充電法則是將充電電流以週期性的脈衝
方式對電池充電，也就是脈波寬度調變
PWM(Pulse Width Modulation)，固定之充
電電流及改變工½週期時間(duty
cycle)方
式，或固定工½之週期及改變充電電流大
小之方式，來執行間歇性充電。其充電時
序如圖七，T 為工½週期，ton 為充電時
間，toff 則停止充電時間。停止充電的過
程，最主要是在讓電池內部的電解液於電
化學反應上獲得中和緩衝時間，進而延長
電池½用½½，因此脈波充電法在充電
時，可採用較大的脈衝電流以節省充電時
間。[21]
圖六 脈波寬度調變之充電電路
圖四 定電流定電壓之充電電路
圖七 脈波寬度調變充電電路
(3) Reflex
充電法[22]
圖八為
Reflex
充電電路，Reflex 充電
圖五 定電流定電壓之時序圖
法為脈波充電法之改良方式，其特點即在
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