智能锂离子电池快速充电器的设计.docx

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智能锂离子电池快速充电器的设计

摘要

锂离子电池由于能量密度高和长循环寿命等优点，在便携式设备中得到了广泛的应用。

安全、可靠、快速、高效的锂电池充电器对锂电池的性能及应用起着至关重要的作用。

但是，锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻,需要保护电路。

锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式,为有效利用电池容量,需将锂离子电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制精度。

另外,对于电压过低的电池需要进行预充,充电器最好带有热保护和时间保护,为电池提供附加保护。

因此，安全有效的智能型锂离子电池充电器对于锂离子电池来说就是必须而且是必要的。

在硬件方面，完成了单片机系统的设计，包括系统电压、电流、温度的采样及功能按键等。

可实现恒流、涓流等充电过程，具备容量、残压检测功能，具备故障监测和报警功能。

实用软件方面，采用模块化的程序设计，介绍了模块划分和各模块的功能，实现的具体算法，给出了流程图，并根据系统工作需求进行了低功耗和软件抗干扰设计，确保了系统运行的可靠稳定性。

本设计提高了充电器智能化水平，更精确的实现充电过程控制，保护电池，延长电池寿命。

关键词：

充电器；恒流充电；涓流充电；单片机

Abstract

Lithiumionbatteryisbeingwidelyusedinportabledevicefortheirhighenergydensityandlongcyclelife.Safe,reliable,fastandefficientchargerplayaroleintheperformanceandapplicationofthebattery.But,theshortageoflithiumionbatteriesintherequesttothechargerishard,anditneedaprotectivecircuit.Lithiumionbatteryrequiredchargingmodeisconstantvoltageway.Fortheeffectiveuseofbatterycapacity,thelithiumionbatteryshouldbechargedtomaximumvoltage.Butovervoltagechargingwillcausedamagetothebattery,whichrequireshighcontrolprecision.Inaddition,thebatteryoflowvoltageneedtopercharge.chargerswiththermalprotectionandtimeprotectionprovideadditionalprotectionforthebattery.Therefore,safeandeffectiveintelligentlithiumionbatterychargerforlithiumionbatteryisneededanditisnecessary.

Inhardware,thedesignachievesthehardwaredetailcircuitincludingthesystemvoltage,current,temperaturesamplingcircuitandfunctionkeys.Itcanachievetheprocessofconstant-currentchargeandtricklechargeandhavethecapacityandpressuretestingfunction.Insoftware,thedesignadoptsmodularprocedures，whichanalysistheplottingandfunctionofeachmodule，andthespecificwayofrealizationareintroduced.Accordingtotheworkdemandsofthesystem,lowpowerconsumptionandsoftwareanti-interferencearedesigned，whichensurethesafetyandreliabilityofthesystem.Thedesigncanimprovetheintellectualizationlevelofthebatterycharger,realizethecontroltothechargeprocessmoreprecisely,protectthebatteryandextendit'slife.

KeyWords:

charger;constant-currentcharge;tricklecharge;singlechipmicrocomputer

绪论

电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的器件。

二次电池是可多次反复使用的电池，它又称为可充电池或蓄电池。

当对二次电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。

对于二次电池，其性能参数很多，主要有以下4个指标：

（1）工作电压：

电池放电曲线上的平台电压。

（2）电池容量：

常用单位为安时（Ah）和毫安时（mAh）。

（3）工作温区：

电池正常放电的温度范围。

（4）电池正常工作的充、放电次数。

二次电池的性能可由电池特性曲线表示，这些特性曲线包括充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。

二次电池的安全性可用特性的安全检测方式进行评估。

二次电池能够反复使用，符合经济使用原则。

对于市场上二次电池的种类，大致分为：

铅酸（LA）电池、镍镉（NiCd）电池、镍氢（NiMH）电池和锂离子（Li–ion）电池。

1.二次电池的性能比较

铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较见表1。

表1铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较

电池类型

工作电压（V）

重量比能量（Wh/kg）

体积比能量（Wh/L）

循环次数

记忆效应

自放电率（%/月）

铅酸电池

2.0

—

—

400～600

无

3

镍镉电池

1.2

50

150

400～500

有

15～30

镍氢电池

1.2

60～80

240～300

＞500

无

25～35

锂离子电池

3.6

120～140

300

＞1000

无

2～5

2.镍氢电池、镍镉电池与锂离子电池之间的差异

（1）重量方面

以每一个单元电池的电压来看，镍氢电池与镍镉电池都是1.2V，而锂离子电池为3.6V，锂离子电池的电压是镍氢、镍镉电池的3倍。

并且，同型电池的重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。

但锂离子电池因端电压为3.6V，在输出同电池的情况下，单个电池组合时数目可减少2/3从而使成型后的电池组重量和体积都减小。

（2）记忆效应

镍氢电池与镍镉电池不同，它没有记忆效应。

对于镍镉电池来说，定期的放电管理是必需的。

这种定期放电管理属于模糊状态下的被动管理，甚至是在镍镉电池荷电量不确切的情况下进行放电（每次放电或者使用几次后进行放电都因生产厂的不同有所差异），这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是无法避免的。

相对而言，锂离子电池没有记忆效应，在使用时非常方便，完全不用考虑二次电池残余电压的多少，可直接进行充电，充电时间自然可以缩短。

记忆效应一般认为是长期不正确的充电导致的，它可以使电池早衰，使电池无法进行有效的充电，出现一充就满、一放就完的现象。

防止电池出现记忆效应的方法是，严格遵循“充足放光”的原则，即在充电前最好将电池内残余的电量放光，充电时要一次充足。

通常镍镉电池容易出现记忆效应，所以充电时要特别注意；镍氢电池理论上没有记忆效应，但使用中最好也遵循“充足放光”的原则，这也就是很多充电器提供放电附加功能的原因。

对于由于记忆效应而引起容量下降的电池，可以通过一次充足再一次性放光的方法反复数次，大部分电池都可以得到修复。

（3）自放电率

镍镉电池为15%～30%月，镍氢电池为25%～35%月，锂离子电池为2%～5%。

镍氢电池的自放电率最大，而锂离子电池的自放电率最小。

（4）充电方式

锂离子电池已易受到过充电、深放电以及短路的损害。

单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。

充电速率（蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量，例如用2A的电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C；同样地，用2A电流对500mAh电池充电，充电速率就是4C）通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电，则会损害电池。

锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。

采用1C充电速率充电至4.1V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小；当电池充足电后，进入涓流充电过程。

为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。

3.课题设计的意义

本课题设计的对象主要是锂离子电池的充电原理和充电控制。

锂离子电池的充电设备需要解决的问题有:

（1）能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理。

（2）解决充电时间长、充电效率低的问题。

（3）改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命。

（4）通过加强单片机的控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更大的灵活性，且成本低。

第1章电池的充电方法与充电控制技术

1.1电池的充电方法和充电器

1.1.1电池的充电方法

1.恒流充电

充电器的交流电源电压通常会波动，充电时需采用一个直流恒流电源（充电器）。

当采用恒流充电时，可使电池具有较高的充电效率，可方便地根据充电时间来决定充电是否终止，也可改变电池的数目。

恒流电源充电电路如图1-1所示。

图1-1恒流电源充电电路

2.恒压充电

恒压充电电路如图1-2所示。

恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充电。

当对电池进行这一充电时，电池两端的电压决定了充电电流。

这种充电方式的充电初期电流较大，末期电流较小。

充电电流会随着电压的波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免时电池过充电。

另外，这种充电方式的充电末期电压在达到峰值后会下降。

电池的充电电流将变大，会导致电池温度升高。

随着电池温度升高，电压下降，将造成电池的热失控，损害电池的性能。

图1-2恒压充电电路

3.快速充电

在用大电流短时间对电流充电时，需用电池电压检测和控制电路。

该电路在电池充电末期实时检测电池电压和电池温度，并且根据检测参数控制充电过程。

（1）电池电压检测

在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充电转成小电流充电。

采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。

控制电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低。

（2）―ΔV检测

电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行的，―ΔV控制系统框图如图1-3所示。

采用―ΔV控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若―ΔV检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。

电池的充电电流、电池电压和充电时间的关系如图1-4所示。

图1-3―ΔV控制系统框图

图1-4充电电池、电池电压和充电时间的关系

（3）电池温度检测

电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量，使电池温度升高。

由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电池外壳上设置温度传感器或电阻等温度检测元件。

当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。

下面即给出了电池温度检测简图和电池温度与充电时间的关系图。

图1-5电池温度检测简图

图1-6电池温度和充电时间的关系

1.1.2充电器的要求和结构

1.充电器的要求

对充电器的要求是：

安全，快速，省电，功能全，使用方便，价格便宜。

快速充电器（1C～4C的充电器）的安全更为重要，终止快速充电的检测方法要可靠、精确，以防止过充电。

另外，一些充电器集成电路还设有充电时间定时器来作为一种附加的安全措施。

当充电电流较小时可采用线性电源，充电电流较大时常采用开关电源，它既省电又解决发热问题，并有可能由市电直接整流经AC／DC变换获得低压直流电，可省去笨重的工频变压器。

2.充电器的结构框图

早期的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路及电源部分组成，其内部结构较复杂，引脚也较多。

一般的功能较完善的充电器结构框图如图1-7AA线右边所示。

图1-7充电器结构框图

1.1.3单片机控制的充电器的优点

目前，市场上有大量的电池管理芯片，针对充电器开发的电池充电管理芯片业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。

但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果不同。

由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。

一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。

一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。

设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片，具备业界公认较好的―ΔV检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。

这些芯片往往具备了充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，如图2-10所示。

还可加入关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等，就可以完成一个比较实用的

充电器。

1.2充电控制技术

2.2.1快速充电器介绍

快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。

常用的充电电流值为0.3～2小时率电流。

小时率电流值是由公式C（Ah）/t（h）规定的，其中C代表电池额定容量，t代表时间。

例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，根据0.5（Ah）／1（h）＝500（mA），即采用500mA的充电电流（一般慢速充电，选用10小时率电流）。

性能完善的快速充电器，其原理图如图1-8所示：

图1-8快速充电器原理框图

其中的主控电路有多种类型：

（1）定时型

对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。

定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电，使用很方便。

由于定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。

自制时，为了充电安全，最好选大于5小时率的电流充电。

（2）电压峰值增量ΔV型

有的可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。

设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。

这也称为―ΔV法。

由于这种控制电路比较复杂，故不适于自制。

（3）其他主控电路

主控电路除上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制（PWM）控制电路。

温度监测常用热敏电阻监测电池温度。

当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。

只有它复位（人工或自动）后，才能启动再次转人快速充电。

1.2.2快速充电终止控制方法

充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。

根据充电电池的原理，将锂电池的电压曲线分为三段，具体见图1-9。

图1-9锂电池的充电特性

由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。

具体为:

进入B—C段之前，电池电量己基本用完，此时采用恒定的小电流充电。

当进入B—C段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。

为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。

在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变。

由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。

电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。

温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。

为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种终止充电的方法。

（1）定时控制

采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的

充电时间。

这种控制方法较简单，但有其缺点：

充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。

而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。

（2）电池电压控制

在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。

常用的电压控制法有：

最高电压（VMAX）：

从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。

这种方法的缺点是：

未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，若此时误认为0ΔV出现而停止充电，会造成误操作。

（3）电池温度控制

为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。

采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，因此，不能准确的检测电池的充足电状态。

（4）综合控制法

以上各种控制方法各有其优缺点：

由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。

为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。

鉴于定时控制、温度控制、最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性，有的系统中锂电池的充电终止也采用综合控制法。

锂电池是以零增量检测为主，时间、温度和电压检测为辅的方式。

系统在充电过程检测有无零增量（ΔV）出现，作为判断电池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是否已超过预先设定的保护值作为辅助检测手段。

当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出现，若出现ΔV，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态；在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。

若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充

维护状态。

第2章硬件设计

硬件电路的设计的核心器件是MAX1898、AT89C52。

电路的设计围绕这两个器件展开的。

图2-1硬件设计流程框图

2.1主要器件

2.1.1单片机充电芯片

本设计的单片机芯片选用ATMEL公司的AT89C52，它可以完全满足要求。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM）和256B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元.AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

管脚定义说明：

（1）VCC管脚：

系统供电电源

（2）GND管脚：

接地管脚

（3）P0端口（P0.0~P0.7）：

P0端口是一组8位开环的双向I/O端口。

当P0用作输出口时，没个管脚能保持8个TTL输入。

当操作外部程序与数据区时，通过配置，P0还可用作地位的地址/数据复用端口。

（4）P1端口（P1.0~P1.7）：

P1端口是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口。

由于存在上拉电阻，P1端口的外部电流IIL会很低。

此外,P1.0和P1.1管脚可配置成为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX），具体配置如表3-1。

在刷新程序代码和验证信息时，P1端口还可用来接受地位地址字节。

表2-1P1.0和P1.1管脚配置

管脚

配置功能表述

P1.0

T2（定时/计数器2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时/计数器2的处罚和方向选择）

（5）P2端口：

P2端口是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口。

当系统使用16位地址信息读取外部程序区间或操作外部数据区间时，他发送高8位地址字节。

这种操作一般使用MOVX@DPTR语句实现。

（6）P3端口：

P3是一组具有内部上拉电阻的双向I/O端口，同时它还具备许多系统功能，如表3-2所示。

表2-2P3的功能

管脚

配置功能

P3.0

RXD（串行输入端口）

P3.1

TXD（串行输出端口）

P3.2

INT0（外部中断0端口）

P3.3

INT1（外部中断1端口）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储区间的写入端口）

P3.7

RD（外部数据存储区间的读取端口）

（7）RST管脚：

输入用于抚慰输入信号。

（8）ALE/PROG管脚：

ALE表示地址所存使能信号，当防卫外部存储区间时，用来锁存低8位地址字节。

/PROG表示在刷新程序代码时的程序脉冲输入信号。

在正常操作时，ALE将以系统晶振频率的1/6发送一个固定的频率，可用于外部时钟或者定时。

（9）/PSEN管脚：

/PSEN表示程序代码存放使能信号，主要用于读取外部的程序数据区间，当AT89C52执行外部程序数据区间中的代码时，/PSEN信号在每一机器始终周期内使能两次，但若单片机操作外部数据区间，/PSEN将无实际意义。

（10）XTAL1管脚：

改管脚点解单片机晶振，作为晶振放大器和内部时钟处理电路的输入。

（11）XTAL2管脚：

晶振放大器的输出，AT89C52管脚图如图2-2。

图2-2AT89C52管脚图

2.2MAX1898充电芯片

MAX1898是一片Maxim公司生产的单锂离子电池的线性充电器电路，是一款性价比比较高的线性充电芯片。

MAX1898配合外部的PMOS或PNP晶体管可以组成完整的锂离子充电器。

MAX1898提供了充电状态的输出指示、输入电压是否与充电器连接的输出制式和充电电流指示。

MAX1898可以提供精确的恒流/恒压充电，提高了电池性能且延长了电池的使用时间。

充电电流可自由设定，原理无需外部检流电阻，只用内部检流。

MAX1898还可以可选过放电电池的低电流预充和充电终止安全定时器、输入关断控制、可选