电池充电器设计总结资料很全的噢汇总.docx
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电池充电器设计总结资料很全的噢汇总
电池充电器设计总结
日常生活中，我们常常能见到各行各业的电子产品中都含有电池，如手机，数码相机，MP3，甚至卫星等等。
电池作为一种储电设备，应用已十分广泛，电池的性能与寿命都关系到产品的性能与寿命，因此提高电池的性能与寿命就很关键，其中关系最直接的就是给电池充电的充电器。
充电器的设计至关重要，在设计充电器之前就有必要了解电池的相关知识。
本文将介绍我们最常见，也最常用的电池相关的知识，主要包括电池相关的概念、电池的性能特点及参数，对充电器的要求、智能充电器的设计要求等等。
一、电池相关的概念
1、安全性能
影响最大的是爆炸和漏液，主要与电池的内压、结构和工艺设计有关（比如安全阀失效、锂离子电池没有保护电路等。
2、容量
按照IEC标准和国标规定，镍氢和镍镉电池是指在25±5℃的条件下，以0.1C充电16小时，以0.2C放电至1.0V时放出的容量。
锂离子电池是指在常温的条件下，以恒流（1C）、恒压（4.2V）充电3小时，以0.2C放电至2.75V时放出的容量。
容量单位：
安时（Ah）或毫安时（mAh）
3、内阻
是指电流流过电池内部所受到的阻力。
充电电池的内阻很小，一般要用专门仪器测试。
充电态内阻和放电态内阻有差异，放电态内阻稍大，而且不太稳定。
内阻越大，消耗的能量越大，充电发热越大。
随着电池使用次数的增多，电解液消耗及活性物质减少，内阻会增大，质量越差，内阻增大越快。
4、循环寿命
电池可重复充放电的次数。
寿命与容量成反比，与充放电条件密切相关，一般充电电流越大，寿命越短。
5、荷电保持能力
指自放电率。
与电池材料、生产工艺和储存条件有关，一般温度越高，自放电率越高。
6、大电流放电能力
主要与电池材料、生产工艺有关，一般用于动力电池。
7、充电电池的可靠性测试项目
（1）循环寿命
（2）不同倍率放电特性 （3）不同温度放电特性 （4）充电特性 （5）自放电特性（6）不同温度自放电特性 （7）储存特性 （8）过放电特性 （9）不同温度内阻特性 （10）高温测试 （11）温度循环测试 （12）跌落测试 （13）振动测试 （14）容量分布测试 （15）内阻分布测试 （16）静态放电测试ESD 。
二、锂电池的性能特点及主要参数
锂电池（LiLon）
1、特点：
（1）优点：
容量大，体积小，重量轻，无记忆效应。
比能量大约100～135Wh/kg，是镍氢的1.5倍，镍镉2倍 。
安全，无公害，无污染。
自放电低，室温下满电存储1个月的自放电率约10％左右（镍镉25～30％，镍氢30～35％）。
温度范围广：
－20～+60℃ 。
（2）缺点：
成本高，对充电器要求也最高，充电不当容易损坏甚至爆炸。
不能大电流放电，内阻相对较大，一般在0.5C以下放电。
例如，一种容量为3Ah的锂离子电池，在0.75A（0.25C）电流放电时，工作时间为4小时；若以2A（0.67C）电流放电时，工作时间为1.25小时（相当于2.5Ah了）；若以3A（1C）电流放电，工作时间仅为为0.6小时（相当于1.8Ah了）。
需要保护电路控制。
如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继续使用，则称为过放电（或过放），对电池有损害。
（3）充放电次数：
一般500次，甚至1000次。
2、工作原理及结构：
锂离子电池的正极活性材料是钴酸锂（LiCoO2--氧化钴锂），负极活性材料是碳材。
电池通过正极的锂离子在负极的键入与迁出实现电池的充放电过程。
锂离子电池有各种形状（圆柱形、长方形等）以适合不同产品的需要，其容量一般有几百毫安时到几安时。
另外，可以将几个锂离子电池串联在一起，并与电池保护器封装在一起组成电池组。
3、锂离子电池充电的要求：
（1）过充保护：
终止充电电压精度在额定值的1%之内（过压充电可能对锂离子电池造成永久性损坏）。
（2）充电率：
锂离子电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。
虽然某些电池充电率可达2C（C为电池的容量），但常用的充电率为（0.5～1.0）C。
（3）充电温度：
如果充电电流过大会产生温度过高，不仅会损坏电池并可能引起爆炸。
因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时能停止充电以保证安全。
充电温度不能超过50度。
（4）充电电流：
充电器电路中有设定的限流电阻，保证充电电流不超过设定的限制电流。
（5）过放电处理：
过放电（锂离子放电时不断从负极移到正极，但不能完全使锂离子移动，必须保存一部分在负极，否则寿命大大缩短）。
（6）放电电流：
一般在0.5C以下放电较好。
完善的充电器可对过放的电池进行挽救修复，即在充电前进行预处理。
充电前检测电池的电压：
若电池电压大于2.5V，则按正常方式充电；若电池电压低于2.5V，则用小电流（约1/10C的电流）充电，充到2.5V后再按正常方式充电。
这种预充电的方式称为预处理。
通常停止放电电压为3.0V，一般不能低于2.7V。
4、充电方式及标准充电曲线：
但目前的充电器常采用三段充电法，即预处理、恒流充电（快充）、恒压充电（充满）。
开始以设定的恒流充电，电池电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低，充到接近4.2V时（即最高充电电压为4.2V），恒流充电阶段结束。
接着以4.2V恒压充电，在恒压阶段充电时，电压几乎不变（或稍有增加），充电电流不断下降。
当充电电流下降到1/10C时，表示电池已充满，终止充电。
有的充电器在充电电流降到某一值时，启动定时器，经一段定时后，结束充电。
锂电池采用怛流怛压充电方式，为防止过充电，其电压控制精度要求为1%。
对于过放电的电池还需使用涓流预充电。
锂电池的充电过程大约为以下几步：
（1）检测电池的电压，如果低于一个阈值电压（2.7V），就要进行涓流充电（1/10C）。
（2）电池充到一定电压（一般设置为2.9V或3.0V）时，进行全电流充电（0.5-1.0C）。
（3）当电池电压达到预置电压（锂离子电池一般为4.2V）时，开始恒压充电，同时充电电流降低（一般来说，恒压充电结束时的小电流充电过程中，电流的大小一般为恒流充电时电流的1/10）。
（4）当电流逐渐减小到规定的值时（1/10C或0.03C），充电过程结束（对由于某种因素放电的情况而专门设计了检测电路，一旦检测到电池电压降低，就会重新启动充电过程）。
（5）如果在充电过程中，温度达到上限，则进入涓流充电，等待温度降低，当温度降低后，再按回到
（1）到第（4）部的顺序。
充电曲线如下：
聚合物锂离子电池简介
聚合物锂离子电池是新一代锂离子电池，不仅具有液态锂离子电芯的高电压、长循环寿命、放电电压平稳以及清洁无污染等特点，而且消除了液态锂离子电池存在的爆炸的安全隐患。
同时外形更灵活、方便，重量更轻巧。
产品性能均达到或超过液态锂离子电池的技术指标，更具安全性。
TCL聚合物锂电与液态锂电池对比：
（1）安全性能好：
外包装为铝塑包装，有别于液态锂电的金属外壳，由于采用软包装技术，内部质量隐患可立即通过外包装变形而显示出来，一旦发生安全隐患，不会爆炸，只会鼓胀。
（2）超薄设计：
适合各种超薄电器，而液态锂离子电池在厚度做到3.6mm以下时存在技术瓶颈。
（3）重量轻：
聚合物锂电比同等规格的钢壳液锂轻40％。
（4）容量大：
聚合物比同等规格的钢壳液锂容量高10～15％。
（5）内阻小：
能够作到35mΩ以下，使电池容量能够更大发挥。
（6）形状可定制：
可根据客户的要求灵活定制电池的厚度、形状，并可做出弧形等特殊形状；
（7）放电特性佳：
聚合物锂电采用胶态电解质，具有更平稳的放电特性和更高的放电平台，世界首辆聚合物锂离子电池电动轿车在哈尔滨面世。
三、镍镉（NiCd）电池的性能特点及主要参数
1、特点：
（1）优点：
价格便宜。
（2）缺点：
自放电率高25～30％，有记忆效应，且对环境有污染，因其中含有镉成分，逐渐被淡出市场。
（3）充放电次数：
1000次左右
2、原理与结构：
3、充电要求：
（1）影响寿命的主要因素：
过充电与充电时温度过高。
电没放完就对电池充电（NiCd因具有记忆效应导致）。
（2）充电：
（3）最高充电电压：
（4）充电温度：
保持在45度左右。
（5）放电：
（6）放电电流：
4、充电方式与曲线：
四、镍氢（NiMh）电池的性能特点及主要参数
1、特点：
（1）优点：
价格便宜，无记忆效应（实际为记忆效应较轻），能量密度比NiCd容量高，不污染环境。
（2）缺点：
自放电率为20%左右，甚至30%—35%，高温性能差，过充电/过放电时会排出气体。
（3）充放电次数：
500次左右。
2、工作原理与结构：
镍氢电池的正极主要成分为氢氧化镍Ni（OH）2，负极主要为无污染物质贮氢合金粉（M），电解液是氢氧化钾的水溶液。
镍氢电池设计时，容量实际上是由正极限制的，负极容量设计过剩，以保证过充电时候，正极产生的氧气可以到负极反应，电池的内压不会有明显升高。
3、镍氢（NiMh）充电要求 ：
（1）影响寿命的主要因素：
过充电与充电时温度过高。
（2）充电：
1）应在环境温度10～30℃下充电，此时充电效率最佳。
环境温度低于0℃时，电池内气体吸收反应不充分，造成电池内压升高，激活安全阀，使电池泄漏，性能恶化。
而环境温度高于40℃时，充电效率会下降。
这会使电池性能恶化，发生泄漏。
2）长期储存会加速电池自放电和活性物质钝化，电池电压和容量会下降重复几次充放电循环后，电池可恢复原有性能，所以要定期充电。
将电池储存在干燥、无腐蚀性气体、温度在-20～35℃之间的地方。
3）不要将电池反极充电或大电流过充，否则会造成气体快速产生，使电池内压增加，电池鼓胀或破裂。
（3）最高充电电压：
（4）充电温度：
保持在45度左右。
（5）放电：
1）镍氢电池的放电终止电压非常关键，必须在1.0～1.1V之间，超过了这个终止电压可能有过放的危险，过放会造成排气，对电池损害很大。
过放电会损害电池特性，放电时要有过放保护。
2）放电时环境温度应在-10～45℃度。
超过此范围，放电容量会严重下降，长期在高低温环境下工作，容量会衰减很快。
（6）放电电流：
放电电流影响放电效率。
在放电电流为0.1 C～2 C之间放电效率最佳。
4、充电方式 及充电曲线：
充电是将充电电池恢复其原始容量的过程，为使电池达到长期使用的目的，必须通过适当的充电方法充电，目前较好的方式是-△V值控制充电，此外还可以采用其它的控制方法。
NiMH一般采用怛流源充电，当达到充满状态时，电池会发生放热化学反应，会导致温度上升，电池端电压下降，可检测温度上升速率或负向电压，来终止充电，这种方法称为dT/dt或-△V。
除了这两种方法外，当前的充电器还整合了温度门限测量与超时定时器等功能。
无论哪个条件先满足，都将结束快充。
充电方法如下：
（如果为单节电池充电，最好考虑
（1）—（3）步，不是单节电池，则不考虑。
）
（1）确定电池电压在1.0V-1.65V之间，环境温度在0-45度之间。
（2）预充：
电池电压低于1.0V时，将以0.1C电流预充。
（3）当电池电压大于1.0V时，进入快充。
（4）快充方式：
（将以0.5C—1.0C电流充电）
1）快充（-△V检测方式）：
约5-10分钟后（防止-△V检测线路在开始充电后一定时间内启动。
因为，镍氢电池在放置较长时间或过放后充电电压会有波动（假-△V），此时延时的设定是为防止此假-△V误触发使充电终止），对电池电压测量，保持每次测量（停充时测量）到的最大电池电压，一旦检测到-△V门限（典型为2mV，通常有时用5-10mV），快充结束。
转入浮充电。
如果快充时电压持续15-20分钟平坦，也将终止快充。
2）快充（dT/dt值检测方式）：
0.8～1℃/min，用热敏电阻或温度传感器探测电池温度，单位时间内电池温度上升达到预设值时，终止充电并转为涓流。
3）两种快充检测方式都启动，只要任一种达到将转到下一步。
（5）浮充：
将以0.1C，持续20-30分钟。
如果浮充电流改其它值，时间相应调整，时间一般为快充的一半。
如果之前快充时温度达到上限值，则不进入浮充模式。
（6）涓充：
涓流将以C/20或C/30充电，以维持电池充满状态，补尝电池自放电的效应。
直到电池拿掉或总充电时间到后停止充电。
（7） 充电总时间：
10～20小时（视充电电流的大小），即使是涓流充电，长时间过充也会造成电池性能恶化，为防止涓流或其他充电下过充，建议设立一个保护性的总充电时间控制。
恒流充电时间计算公式=电池容量除以充电电流乘以K，K为充电系数取值：
慢充1.5（10—15小时）快充1.35（4.5—10小时）急充1.2（1.5—4.5小时）。
（8）当第一组电池完成上述充电过程后，紧接着对第二组电池充电时，如果温度还在上限，则必须待温度下降后才可开始对进行充电过程。
下图是DS2712对NIMH充电时电池电压的曲线：
上面一条为充电时电池电压曲线，下面为停充时的电压曲线。
五、铅酸电池（SLA）电池的性能特点及主要参数
1、特点：
（1）优点：
免维护 、可做任何方位的摆置而不使电解液漏出 、安全排气 、可大电流放电 、 成本低 、高低温性能好 。
（2）缺点：
有污染 、体积大 、比容量低 。
（3）充放电次数：
2、原理与结构：
1）阳板及阴板：
阳板及阴板是由铅钙合金所作成之格子体再加上活化物质所构成。
2） 隔离板：
是一种以玻璃纤维所组成之玻璃纤维布，具有高度之抗氧化性及耐热性，而在电池内更具有高度之电解液吸收力及保液能力，且能满足离子之传导性。
3） 安全塞：
在电池因不当的使用或过充电的结果，会导致电池内部压力不正常的提高，此时安全塞会打开，使过多的气体释出电池，内部压力回复正常。
4） 电槽及中盖：
主要为ABS或PP塑胶材质，具有足够之强度及耐酸性，也是为免除电池电解液及气体之漏出。
充放电反应可以下面方程式来表示：
3、充电要求
（1）影响寿命的主要因素：
（2）充电：
避免过充，否则将使电池大量排气，严重损害电池的寿命。
长期储存要定期充电。
（3）最高充电电压：
（4）充电温度：
（5）放电：
避免过放，经常过放将会导致极板钝化，容量衰减。
（6）放电电流：
4、充电方式与曲线：
六、智能充电器的设计要求及典型应用电路
作为一个电池使用者都希望充电器的充电速度越快越好。
因此充电器的充电速率是充电器的一个重要标志。
但是在快速充电的过程为保证电池的性能，充电器就必须在充电中知道电池的状态。
快速充电器的一个本质特征就是在过充电之前能够自动降低充电速率。
充电速率最好不要超过电池供应商的建议值2C。
如果充电器做不到这一点的话，只能使用小电流或涓流充电方式。
一个性能可靠安全的充电器一般包括怛流怛压控制环路，电池电压检测电路，电池温度检测电路等基本单元。
有时在充电器中计算总的充电时间以防止电池过充。
一般充电器的基本硬件方框图如下：
有时为了更直观地了解充电电池的状态，还需上位机显示必要的信息，这就是智能充电器。
智能充电器组成如图1所示。
主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等,形成了一个闭环系统。
下面介绍利用ATMEGA8做的一款智能充电器相关电路及原理。
1、智能充电器典型的PWM控制电路
（1）下图是采用PWM方式控制的恒流/恒压电路。
由于图中的开关管是工作在开关状态，因此电路的工作效率较高。
工作原理：
当开关管Q导通时，输入电源通过电感L向电容C充电，同时电感L开始存储能量。
当Q断开后，电感要保持电流从而开始释放能量，二极管D开始导通，电感继续给电容充电。
开关管周期性的导通，从而保证了电路输出恒定的输出电压。
如果开关管的导通时间增加，则输出电压升高，充电电流加大。
反之则输出电压下降，充电电流下降。
因此，通过调整PWM的占空比，就可以实现实现充电器的恒流和恒压功能。
占空比与输出电压的关系如下：
ton/T = （Vo + VD） / （Vi – Vsat + VD）
其中：
ton ：
开关管导通时间
T ：
PWM脉冲的周期
Vi ：
输入电压
Vo ：
输出电压
Vsat ：
开关管的饱和压降
VD ：
二极管导通压降
电感L的计算方法如下：
L = （Vi – Vsat - Vo）ton / Ipk
其中：
Ipk = 2IoMAX
IoMAX = 最大输出电流
下图是本充电器的恒流/恒压电路。
图中开关管选用了东芝的TPC8103 MOSFET管，为8脚贴片封装。
其外形和内部原理图如下。
（2）基准电压源
TL431是一个具有良好的热稳定性能的三端可调基准电源。
外形如下图所示：
TL431有3个引脚，分别为：
阴极C（CATHODE）、阳极A（ANODE）和参考端R（REF）。
其内部工作原理图如下图所示：
充电器基准电压电路如下图所示：
TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。
输出电压可以控制在Vref（2.5V）到36V范围内。
当R12和R16的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。
显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=（1+R12/R16）Vref。
选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。
需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。
本充电器选择的基准电压值＝（1＋3/6）×2.5＝3.75V。
2、MCU控制器部分
本充电器设计采用ATMEL公司2002年推出的一款AVR高档单片机Atmega8。
其内部集成了大容量的存储器，提供了PWM脉宽调制脉冲产生器、多路AD转换器、实时时钟电路、串行接口等硬件接口。
非常适合用作智能型充电器的MCU控制单元。
Atmega8有DIP28和TQFP/MLF32三种封装类型。
我们选择了DIP28封装，如下图所示：
MCU控制单元电路如下图所示：
MCU系统时钟和实时时钟的选择：
Atmega8具有5种类型的系统时钟源，即外部晶振、外部低频晶振、外部RC振荡、内部RC振荡及外部时钟。
由于充电器在充电过程中需要计算充电时间，因此智能充电器的设计中必须包括实时时钟源。
根据Atmega8的时钟源特点，本充电器的MCU系统时钟选择使用可校准的内部RC振荡器产生8M时钟，外接32.768KHz的晶振做为实时时钟的时钟源。
PWM脉宽调制波产生器：
Atmega8具有3个定时/计数器，可以实现定时/计数功能外，还具有任意小于16位相位和频率可调的PWM脉宽调制输出功能。
本充电器使用T/C1产生PWM，为了获得较高的PWM脉冲频率，T/C1的工作模式选择快速模式。
PWM脉冲从PB1（15脚）输出。
AD转换器：
DIP28封装形式的Atmega8具有4个10位精度和2个8位精度的AD转换通道。
本充电器在充电过程中需要随时采集电池的充电电流、放电电流、电池电压和电池温度，共需要4个AD转换通道。
我们采用ADC0（PC0）采集充电电流数据，ADC1（PC1）采集电池电压，ADC2（PC2）采集电池温度，ADC3（PC3）采集放电电流。
Atmega8的21脚AREF是AD转换器的电压参考源。
20脚Avcc是AD转换器的电源引脚，为了减小电磁干扰提高测量精度，Avcc是通过L1和C6组成的LC网络才连接至5V电源端。
3、电流电压采样部分电路
（1）本充电器需要实时监控充电过程中的充电电流、电池电压、电池温度以及放电电流值。
因此需要运放电路来对这些参数进行放大。
LM324是一款使用普遍且价格便宜的4运放集成电路。
其工作电压为3－32V，封装如下图所示：
电流检测电路如下图所示。
通过检测与电池串联的电流检测电阻R26上的电压，即可计算出充电电流和放电电流。
运放2为充电电流检测放大器，运放3为放电电流检测放大器。
两路放大器的增益均为：
R27/R30＝87/6.6＝13。
即最大电流检测值为：
基准电压/电流放大器增益/R26＝3.7/13/0.1＝2.8A。
（2）电池电压检测电路
为了监控电池电压，需要将电池电压变换在单片机的AD测量范围以内，即0至Vref范围内。
这里采用了一个普通的差分放大电路。
如下图所示：
其运放输出电压TEST_V＝Vbattery×R17/R14。
即电池最大测量电压为：
Vbattery_max＝Vref×R14/R17＝3.75×12/3.08＝14.6V。
（3）温度传感电路
LM35是一款精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比。
LM35系列传感器生产制作时就已经过校准过，其输出电压与摄氏温度一一对应，使用极为方便。
其灵敏度为10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃（-55℃至+150℃温度范围内），低输出阻抗，线性输出和内部精密校准使其与读出或控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作。
特性
在摄氏温度下直接校准
+10.0mV/℃的线性刻度系数
确保0.5℃的精度（在25℃）
额定温度范围为-55℃至+150℃
适合于远程应用
工作电压范围宽,4V至30V
低功耗,小于60uA
在静止空气中,自热效应低,小于0.08℃的自热
非线性仅为±1/4℃
10输出阻抗，通过1mA电流时仅为0.1Ω
参数指标及外形图（三种封装）
本充电器选用了LM35DZ型号，封装类型为TO-92塑封，如下图所示。
工作温度范围为0℃至+100℃。
TO-92封装（底视图）
1脚：
+VS，2脚：
Vout，3脚：
GND
典型应用
利用数字表可以直接测量温度，如室温25℃时，表上读数为0.25V。
如下图所示：
本充电器温度测量电路如下图所示：
运放电路增益为R34/R35＝12/2＝6。
因为AD转换器基准电压为3.7V，因此充电器的温度测量最大值为（基准电压/温度测量增益）/10mV＝3700/6/10＝62摄氏度。
4、上位机部分
这里采用下图分立元件构成的RS232接口电路，该电路工作稳定可靠，而且无须调试。
如果需要缩小体积的话，可以采用MAX232专用串口芯片。
本充电器除了使用LCD做为状态显示以外，还采用了一个双色发光二极管做为充电器的状态指示。
这样的话，即使在黑夜里使用充电器，也能够在远处一眼就看出充电器的状态。
双色二极管的驱动也是ATMEGA8串口的TX和RX脚。
如果想用USB接口作为上位机通信，可以用FT232作为通信芯片。
上位机的软件可以用VB、VC或者是LabView制作。
5、锂电池组充电的几个关键技术
待解决。
6、结论
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