锂电池快速充电系统的设计大学论文Word文档下载推荐.docx

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关键词：

快速充电，单片机，protues仿真

ThedesignofLithiumbatteryquickchargingsystem

Abstract:

Thechargetechnologyisanimportantfactorthatinfluencetelife-spanandperformanceofthebatteries.Soitishelpfultoenhancingtheperformanceandprolongthelife-spanofthebatteriestofindaeffectivechargecontrolmode.Thispaperanalysesthemethodofquickchargeusedforthelithiumbattery.Thischargingprocesscanbedividedintofoursteps,whichincludingtheprecharge、theconstantcurrentcharge、theconstantvoltagecharge、thetricklecharge.ThepaperdesignsakindofSCM-51ascontrolcoreoflithiumbatterychargingsystem,accordingtothischargingmethod.OnepartofthedirectcurrentgotfromtherectifiercircuitsupportsthenormalworktheSCM、ADC0808.Anotherpartofitusedforchargingthebattery.Thesingle-chipmicrocomputercangetdifferentvoltagedatesdependingontheA/Dconverter,soitcanoutputdifferentdutycycleofPWM,thechargevoltagecanbechangedaccording.Intheprotuessimulation,wecanimitatethevoltagevariationofthechargedbatterybychangingthesliderheostatvalue,threeeightdigitaltubecanbeshowedthereal-timevoltagechange.Intheprocessofvoltagechangefromlowtohigh,wecangetfourdifferentdutycyclefromtheoscilloscope,soastodisplaythefourdifferentchargingprocess.

Keywords:

quickcharge，single-chipmicrocomputer，theprotuessimulation

1.绪论

1.1课题研究的背景及意义

据环境部门统计，目前大气污染的42％来源于交通运输，随着人们生活水平的提高，汽车保有量会迅速增加，污染的比例也会相应提高，预计到2010年汽车尾气造成的大气污染将占空气污染的64％，这将严重破坏和影响人们赖以生存的地面生态系统。

随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧，世界公认的最有发展前景的解决方案是电动车。

开发实用、安全、清洁的移动电源，寻求相关的节能、环保解决方案一如发展新型电动车，成为当前各国的迫切任务[1]。

中国对汽车的需求量日益增加，现已成为世界上第三大汽车消费国。

在以后的十年里中国汽车的需求量将稳步上升，将成为世界上第二大汽车市场。

到2013年预计中国汽车需求量将达到1100万辆，但人均保有量低，预示着国内汽车市场潜力仍然巨大。

我国早已把电动车的研究开发项目列为“十五’’期间国家“863"

计划中的重大项目。

电动车是完全由二次电池如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池提供动力的汽车。

由于电动车完全消除了车辆在运行中的废气排放，完全使用二次能源一电池，使其更符合能源持续利用战略电动车节能，无尾气排放，无噪音，缓解了机动车尾气对大气的污染是解决环境与能源问题的有效途径。

而且电动车的充电可以利用夜晚用电低谷时间完成，这可以大大缓解供电、用电矛盾中对电力储备能力的要求。

因而随着技术水平的进步，电动车、电动汽车具有较为广阔的发展前景[2]。

本次毕业设计就是针对解决锂离子电动自行车充电器充电慢的问题而选题的，旨在开发一个根据电池饱和程度充电电压改变的快速充电模式，并可以在较短时间之内可以将电池充好的快速充电器（电池规格36V、10A），以解决长时间反复等待电池充电的困扰。

1.2本课题研究的基本内容和目的

充电技术是影响电池寿命和使用性能的重要因素，寻找有效的充电控制方式及电池智能化的管理途径，有助于增强电池的使用性能，延长其使用寿命，提高相关设备的工作可靠性。

目前市场上使用的所谓快速充电器，并不是严格意义上的阶段式充电器，据相关部门统计资料显示，市场上以上的充电器存在各种质量隐患。

这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化现象，严重影响电池的品质。

致使充电容量达不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。

因此，研制真正意义的快速充电装置具有重要的实用价值，对于提高充电效率、延长电池寿命，节约能源及减小环境污染具有重要的意义[3]。

本课题设计的快速充电器，其快速主要体现在对电池准确的充电阶段控制上，能够根据锂电池所剩电量采取不同的充电方法。

根据锂电池本身的特性和对锂电池充电得出的数据，在对锂电池充电的过程中电池两端的电压与其充电电流有很大关系，我们可以据此根据检测锂电池两端电压，来分阶段，采取不同的充电方法。

所以文章主要完成的内容有以下几点。

第一，有关电动自行车锂电池的电化学原理和充放电原理。

第二，关于充电器对锂电池充电的原理及其电路设计。

第三，交流电流对电池充电的原理及其特点。

第四，充电器对充电过程的检测及其自动转换。

第五，电路设计及其元件的选择调试等。

2.锂电池充电相关理论介绍

2.1电池充电理论基础

上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。

实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。

原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

图2.1最佳充电曲线

由图2.1可以看出：

初始充电电流很大，但是衰减很快。

主要原因是充电过程中产生了极化现象。

在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。

锂蓄电池放电及充电的化学反应式如下。

充电正极上发生的反应为：

LiCoO2==Li（1-x）CoO2+XLi++Xe-（电子）

充电负极上发生的反应为：

6C+XLi++Xe-=LixC6

充电电池总反应：

LiCoO2+6C=Li（1-x）CoO2+LixC6

很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。

可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。

理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。

但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。

在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。

一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。

a）欧姆极化　

充电过程中，正负离子向两极迁移。

在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。

为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。

该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。

随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。

b）浓度极化　

电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。

实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质浓度发生变化。

也就是说，从电极表面到中部，电解质浓度分布不均匀。

这种现象称为浓度极化。

c）电化学极化　

这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。

例如：

电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。

放电时，立即有电子释放给外电路。

电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。

这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，总有一个时刻，达到新的动态平衡。

但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。

也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。

同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。

这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。

2.2快速充电方法的研究

为了能够最大限度地加快锂蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。

快速充电技术近年来得到了迅速发展[3]。

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进最佳充电曲线。

a）脉冲式充电法

这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。

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，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，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，提高了蓄电池的充电电流接受率。

b）Reflex快速充电法

这种技术主要面对的充电对象是镍镉电池。

由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池