1.3 直流充电电源
1.3.1 充电电池的种类和使用方法
1.常用充电电池的种类
充电电池，是指充电次数有限的可充电的电池，配合充电器使用，现在一般充电次数在1000次左右。充电电池的好处是经济、环保、电量足，适用于大功率、长时间使用的电器（如随身听、电动玩具等）。常用充电电池主要有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、铁锂电池5种。市场上出售的充电小电池除锂电池外，主要有5号、7号充电电池，但也有1号充电电池。
1）铅酸蓄电池
铅酸蓄电池具有无须均衡充电、使用寿命长、内阻小、输出功率高、自放电小、成本相对较低等特点，是目前世界上应用最为广泛的电池产品。此类电池单体电压高（2V），主要用于汽车、摩托车的启动，应急照明系统、UPS不间断电源系统等大功率场合。改进型全密封免维护铅酸蓄电池，免去补充溶液的问题，使用更方便。
2）镍镉电池
镍镉（Ni-Cd）电池，单体电压1.2V，可代替普通电池，有充电记忆效应，如果没有完全放电就充电，会令容量降低。
3）镍氢电池
镍氢（Ni-MH）电池，单体电压1.2V，容量比镍镉电池高30%～60%，属环保型、无记忆电池。镍氢电池价格便宜，标准型号，但自放电较大。
4）锂（Li-ion）电池
锂（Li-ion）电池主要应用于手机、DV、笔记本电脑中，单个电池电压是3.6V，通常不做成5号电池的形式，具有容量大、质量轻、电压高等特点，但不耐储存，价格较高，基本上是“专款专用”，通用性差。
5）铁锂电池
铁锂（LiFePO4）电池是一种新型动力电池，具有输出效率高、常温时性能良好、不燃烧、不爆炸、循环寿命长、快速充电、环境无污染等特点，受到各方面的重视。铁锂电池的标称电压是3.2V，终止充电电压是3.6V，终止放电电压是2.0V。主要应用在大型电动车辆、轻型电动车、电动工具、太阳能及风力发电的储能设备、UPS等领域。
这里举一个用铁锂动力电池替代铅酸蓄电池的应用实例。采用36V/10A·h(360W·h)的铅酸蓄电池，其质量为12kg，充一次电可行走约50km，充电次数约100次，使用时间约1年。若采用铁锂动力电池，采用同样的360W·h能量（12个10A·h电池串联组成），其质量约4kg，充电一次可行走80km左右，充电次数可达1000次，使用寿命可达3～5年。虽然说铁锂动力电池的价格较铅酸蓄电池高得多，但总的经济效果还是采用铁锂动力电池更好，并且在使用上更轻便。
2.充电电池的正确使用方法
正确使用充电电池，可以延长电池的寿命或者减缓电池容量的衰退。充电器一定要与电池配对使用, 充电器的充电电压、充电电流、充电保护等都是充电器的核心，直接决定电池能否充满和电池寿命。看清充电器的输出电压、充电电流以及说明书，必须明确可充哪些电池（包括电池种类、电池容量、电池尺寸等）。锂电池必须选用专用充电器，否则可能会达不到饱和状态，影响其性能发挥。
充电电池使用注意事项如下：
（1）正确选用配对的充电器。
（2）电池在充电过程中请不要拔下外接电源。
（3）使用电池时，请尽量全部用完再充电，并且一次就将电量充满。
（4）如果使用电池的电器长时间不用，请拔下电池，将电池单独存放。
（5）电池单独存放时间建议不要超过1个月，并保证每隔1个月左右就对电池进行充电。
（6）电池单独存放前，请保持电池电量大于80%。
（7）电池应置于温度范围－10～35℃的干燥环境中存放，避免阳光直射。
（8）对于镍镉电池、锂电池，其破损后会污染环境，同时又有一定的危险性，请不要随意拆卸、丢弃。
1.3.2 蓄电池充电器
铅酸蓄电池由于其固有的特性，若使用不当，寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。
1.常规充电法
（1）恒流充电法。恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻，保持充电电流强度不变的充电方法。这种充电方法控制简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚。
（2）阶段充电法。此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。
① 二阶段充电法是采用恒电流与恒电压相结合的快速充电方法，如图1-23所示。首先，以恒电流充电，蓄电池电压上升至预定的电压值，然后，改为恒电压方式完成剩余的充电，充电电流逐渐下降。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段恒电压充电的电压。恒电压充电时要严格掌握充电电压，如果浮充电压过低，则蓄电池会充不满；如果浮充电压过高，则会造成过量充电，缩短蓄电池寿命。例如，额定电压为12V的蓄电池，其充电电压应在13.5～13.8V之间。
图1-23 二阶段充电法充电曲线
② 三阶段充电法，在充电开始以恒电流I1充电，到T1时刻改用恒电压U2充电，到T2时刻以恒电流I3充电直至充电结束，如图1-24所示。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，会受到一定的限制。
图1-24 三阶段充电法充电曲线
2.快速充电法
下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼近蓄电池的最佳充电曲线。
（1）脉冲式充电法。脉冲式充电法首先是用脉冲电流对电池充电一段时间，然后让电池停充一段时间，再用脉冲电流对电池充电一段时间，再停充一段时间，如此循环，周期为T，如图1-25所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池充电电流接受率。
图1-25 脉冲充电曲线
（2）变电流间歇充电法。这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电基础上，如图1-26所示。其特点是将恒流充电段改为变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证较大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。
图1-26 变电流间歇充电曲线
（3）变电压间歇充电法。在变电流间歇充电基础上提出了变电压间歇充电法，如图1-27所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。
比较图1-26和图1-27可以看出，图1-27更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。
图1-27 变电压间歇充电曲线
3.一种实用蓄电池充电器
图1-28所示是一种实用的铅酸蓄电池充电器电路，具有过电流自动保护和电池极性接反报警等功能，可用于10～20A·h的12V铅酸蓄电池充电。
（1）电路组成。该铅酸蓄电池充电器由电源电路、充电电路、电压控制电路、电流控制电路和电池极性接反报警电路组成，如图1-28所示。
电源电路由电源变压器T，整流二极管VD1、VD2，滤波电容器C1～C6和三端稳压集成电路IC3（CW78H12）组成。
充电电路由电阻器R1、R6～R8、晶体管VT1、VT2和充电指示发光二极管VL3组成。
电压控制电路由比较放大器IC2（CA3130）、电阻器R9～R11、电位器RP2、稳压二极管VS、电容器C8和发光二极管VL2组成。
图1-28 铅酸蓄电池充电器电路
电流控制电路由电阻器R1～R5、电位器RP1、比较放大器IC1（CA3130）、电容器C7和发光二极管VL1组成。
电池极性接反报警电路由蜂鸣器HA和二极管VD3组成。
（2）电路工作原理。交流220V电压经变压器T降压后分为两路：一路经二极管VD2半波整流、C3滤波及IC3稳压后，产生+12V电压，供给IC1和IC2；另一路经二极管VD1半波整流及C1滤波后，作为充电电压，经R1加至晶体管VT2的发射极。
在蓄电池GB的端电压低于13.5V时，IC2的3脚（正输入端）电压高于2脚 (反相输入端)电压，6脚输出高电平，VT1和VT2导通，蓄电池GB开始充电，同时充电指示灯VL3点亮。
当蓄电池GB充满电（端电压达到13.5V）时，IC2的2脚电压高于3脚电压（4.7V），IC2的6脚输出低电平，使充满指示灯VL2点亮，VT1和VT2截止，充电结束。调整RP2的阻值，使蓄电池充满电后VL2点亮。
IC1的3脚（正相输入端）为基准电流端，2脚（反相输入端）为电流检测端。在蓄电池正常充电时，IC1的2脚电压低于3脚电压，6脚输出高电平，VL1不发光。当某种原因（如被充蓄电池中某一格极板短路）使充电电流偏高时，IC1的2脚电压将高于3脚电压，6脚输出低电平，使故障指示灯VL1点亮，VT1和VT2截止，充电电路停止充电，直到充电电流恢复正常。RP1用来设定最大充电电流。
在蓄电池GB的极性与电路连接正确时，二极管VD3不导通，蜂鸣器HA不发声。若GB的极性接反，则VD3导通，蜂鸣器HA发出报警声，提示蓄电池的极性接反。
1.3.3 手机万能充电器
如图1-29所示为一种实用的手机万能充电器电路，可用于容量为250～3000mA·h锂离子、镍氢电池的充电。充电时，七彩灯（CH灯）闪烁，发出绚丽多彩的七彩光芒，充满电后熄灭。电路内设有自动识别线路，可自动识别电池极性；输出4.2V标准电压，能自动调整输出电流，使电池达到最佳充电状态，能保护电池，延长电池的寿命。
图1-29 手机万能充电器电路
本电路可分为开关电源和充电电路两部分，以C4为界，左半部分（包括C4）为开关电源部分，提供9V直流电压；右半部分为充电电路部分，输出4.2V标准电压。
1.开关电源
当接入电源后，通过整流二极管VD1得到100V左右的直流电压，经R1、R2给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic1使L1中流过电流线性增长，产生上端为正的感应电动势，经变压器T耦合，在L2两端产生上端为正的感应电压，再经C1、R13、R2加到VT1的发射结，产生VT1基极为正、发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和导通，并在L1中储能。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电流逐渐变低，到某个时刻会使VT1退出饱和区；由于Ic1开始减小，将在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的正反馈电压，使VT1迅速截止；这时二极管VD3导通，将原先在L1中的储能通过次级绕组L3释放给负载。在VT1截止期间，直流输入电压又经R1、R13给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。最终由变压器T的次级绕组L3向负载输出所需要的脉冲电压，再经VD3高频整流和C4滤波后，获得9V直流电压，供给充电电路。
2.充电电路
在充电电路中，CH为七彩发光二极管，与VT2组成充电指示电路；PW为电源指示灯，与R7组成电源通电指示电路；VT4～VT7组成电池极性自动识别电路。
当充电端1接电池正极、充电端2接电池负极时，充电回路是：电源正极→VT5发射极→VT5集电极→充电端1→充电电池→充电端2→VT7饱和导通→电源负极。当充电端2接电池正极、充电端1接电池负极时，充电回路是：电源正极→VT4发射极→VT4集电极→充电端2→充电电池→充电端1→VT6饱和导通→电源负极。因此，通过电池极性的自动识别，保证充电回路自动工作。