锂离子电池的充电器设计.docx

锂离子电池的充电器设计.docx

《锂离子电池的充电器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锂离子电池的充电器设计.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

锂离子电池的充电器设计

摘要

本設計以單片機為控制核心，系統由指示燈電路、電源電壓與環境溫度採樣電路、精確基準電壓產生電路和開關控制電路組成。

實現了電池充電、LED指示、保護機制及異常處理等充電器所需要的基本功能。

本文對鋰離子電池的參數特性、充電原理與充電方法進行了詳盡的描述，並提出了充電器的設計思想和系統結構。

該電路具有安全快速充電功能，可以廣泛應用於室內外單節鋰離子電池的充電，如手機、數碼產品電池等。

關鍵字：

鋰離子電池，充電器，硬體電路，軟體設計

Thedesignofchargeraboutlithium-battery

Abstract

ThisdesignusesSCMsystemforthecontrolofcore,itincludesthepilotlampcircuitonsystem,samplingcircuitaboutvoltageandtemperature,thecausesaboutstandardvoltageandswitchcontrols.Thecircuitachieveschargingbattery,LEDinstructions,theprotectionmechanismandexceptionhandling,andotherfunctions.Thispaperintroducesthefollowingthings:

parametersoflithium-battery,principlesandmethodsoncharge,designthinkingsandsystemstructureaboutcharger,anditdescribesthefunctionalmodeofthechargerindetail,moreoveritproposesthethinkingofplanandstructureofasystem.Thecircuitwhichbeplanedhavefunctionsofsafety,rapidandsoon.ItcanuseinthechargeofLithium-ionbatterythatisonlyfar-ranging,suchasthebatteryofcellphone,digitalproductandsoon.

Keywords:

Lithium-ionbattery,Charger,Hardwarecircuit,Softwaredesign

目錄

1引言

1.1課題研究背景

近年來，各種攜帶式的電子產品成為市場上的熱門，如手機、數位相機、個人數字助理（PDA）、筆記型電腦等3C（Computer,Communication,ConsumerElectronics）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能元件也往「輕、薄、短、小」的目標邁進，因此對於體積小、重量輕、能量密度高的二次電池需求相當迫切。

因此,電池廠商也研發出各種不同用途的電池，來適應電子裝備的需求。

使電子產品具有攜帶更方便，使用時間長等特點。

小型二次電池包括鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰電池，在防止鎘污染的環保需求下，鎳鎘電池慢慢被取代已成趨勢。

鎳氫電池雖無環保問題，但是能量密度低，高溫特性差及少許記憶效應等缺點，在3C產品應用上，已經逐漸被鋰離子電池所取代。

鋰離子電池具有工作電壓高（3.7V）、能量密度大（150Wh/kg）、重量輕、壽命長及環保性佳等優點，皆以鋰離子電池做為其能量來源，因為電子產品的使用量迅速成長，各種可攜帶式電子產品的研發不得不更輕薄短小以使產品能更具有競爭力，“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，特別是可充電二次電池，在市場中成長快速、利潤高，目前已成為許多先進國家競相發展的研究專案，其未來需求及發展前景是相當看好的。

總的來說，鋰離子電池具有以下優點：

（1）能量密度高，其體積能量密度和品質能量密度分別可達360W·h/dm3和150W·h/kg，而且還在不斷提高。

（2）工作電壓高，通常單節鋰離子電池的電壓為3.7V，單體電池即可為3V的邏輯電路供電。

對於要求較高供電電壓的電子設備，電池組所需串聯電池數也可大大減少。

（3）自放電小，每月10%以下，不到鎳鎘電池的一半。

（4）可快速充放電，1次充電時容量可達標稱容量的80%以上。

鋰離子電池負極用特殊的碳電極代替金屬鋰電極，因此允許快速充電。

在特定情況下可在短時間內充足電，而且安全性能大大提高。

（5）壽命長，鋰離子電池採用碳負極，在充放電過程中，碳負極不會生成金屬鋰，從而可以避免電池因內部金屬鋰短路而損壞。

目前，鋰離子電池的壽命可達1000次以上，遠遠高於各類電池。

（6）允許溫度範圍寬，鋰離子電池具有優良的高低溫放電性能，可在-20~+60之間工作。

高溫放電性能優於其他各類電池。

此外，鋰離子電池還具有體積小、輸出功率大、無記憶效應和無環境污染等優點。

綜合性能優於鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱為性能最好的電池，儘管鋰離子電池具有上述諸多優點，但還是存在有如下的缺點。

（1）與乾電池無互換性：

鋰離子電池雖然有電壓高的好處，但也有很難和乾電池互換的缺點，當蓄電池放完電時，一般的想法是用乾電池暫時取代但由於這兩者電壓不同，不能直接代換。

（2）無法急速充電：

鋰離子電池不能像鎳鎘電池那樣，用15分鐘急速充足電。

鋰離子電池的充電方法是，最初以恒定電池充電，最後則以恒定電壓完成充電，較快速度充電時間約需2小時。

（3）內部阻抗高：

因為鋰離子電池的電解液為有機溶液，其電導率比鎳鎘電池、鎳氫電池的水溶液電解液小得多。

所以，鋰離子電池的內部阻抗比鎳鎘電池或鎳氫電池約大10倍左右。

（4）工作電壓變化較大：

電池放電到額定容量的80%時，鎳鎘電池的電壓變化很小（約20%），鋰離子電池的電壓變化很大（約40%）。

對電池供電的設備來說，這是嚴重的缺點，但可以由鋰離子電池放電電壓變化比較大，很容易據此檢測電池的剩餘電量。

（5）放電速率較大時，容量下降較大。

（6）必須有特殊的保護電路，以防止過充或過放。

但同其優點相比，這些缺點不應成為主要問題，特別是用於一些高科技，高附加值的產品中。

因此鋰離子電池具有廣泛的應用價值，其經濟價值相當可觀。

1.2充電器功能描述

充電器是特為化學電池設計的理想產品，它們使電池的三項關鍵指標達到最優化，即容量、壽命和安全性。

正是鋰離子電池在各個領域越來越廣泛的應用，推動了對鋰離子電池充電器的研究。

目前一些大的廠家生產的充電器都具有以下特點：

具備限流保護，電流短路與反充保護線路設計：

自動、快速充電、充滿電後自動關斷等等。

有的還具有LED充電狀態顯示、低雜訊、模擬微電腦控制系統等特點。

由於鋰離子的特點使得其對充電器的要求比較苛刻。

其要求的充電方式是恒流恒壓方式，為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池損壞，這就要求較高的控制精度（精度高於1%）。

另外，對於電壓過低的電池除了需要進行預充、充電終止檢測、電壓檢測外，還需採用其他的輔助方法，作為防止過充的後備措施，如檢測電池溫度、限制充電時間，為電池提供附加保護，由此可見實現安全高效的充電控制已成為鋰離子電池推廣應用的目標。

按照鋰離子電池的特性參數和充、放電曲線完成充電器設計，可以完成如下的功能。

（1）電池充電功能

完成基本的充電功能，能按電池的充電曲線，完成恒流/恒壓充電。

（2）LED指示

電池正在充電，充電器的LED指示燈顯示為紅色；充電後，LED指示燈顯示為綠色。

（3）保護機制

當電池和充電器的工作溫度超過設定範圍，或者充電電壓出現異常時，系統的紅色LED指示燈閃爍，期間隔為0.5s。

此外，對於過壓和過流狀況採取相應的保護措施，保證充電的正常運行。

（4）異常處理

系統能在排除異常後，重新恢復充電。

2系統設計框架與技術參數

2.1系統設計框架

鋰離子電池在充、放電使用中必須注意保護。

用一個形象的肥皂泡沫做比喻，鋰離子電池如同一堆肥皂泡沫，泡記憶體儲的就是電能。

充電時，氣泡會隨著充電時間的加長而不斷增大，當超過其極限值時氣泡就會破裂，此時即損壞了鋰電晶型，造成永久性損壞；若過度放電，則會造成氣泡塌陷、消失，這樣下次充電時氣泡就充不起來，導致鋰電池失效。

設計系統框架時，除了技術參數外，系統的可靠性和安全性也是至關重要的。

為了保證充電不對電池造成永久性損壞，在設計中必須考慮保護措施（包括過流保護、過壓保護和溫度保護）。

另外，充電器充電過程包括了恒流工作階段和恒壓工作階段，且系統必須保證恒流、恒壓的穩定性。

圖1所示時系統的設計框架，包括電壓/溫度採樣模組、開關控制模組、保護機制模組和充電模組。

圖1系統框架設計

保護機制：

該模組將系統的工作狀態即時顯示出來，並根據事先編寫的軟體回應監控信號。

在實現時，該模組電路被分散在其他3個模組的實現電路中。

開關控制：

該模組利用A/D採樣檢測充電恒流，在非法工作時關斷系統電源。

充電功能模組：

該模組的主要功能是產生精確的基準電壓，完成電池充電，並即時採樣系統狀態。

溫度/電壓採樣：

該模組完成充電器電源電壓和環境溫度的採樣，並根據採樣值決定系統的工作狀態。

2.2鋰離子電池特性

鋰離子電池在現實生活中使用的非常頻繁，而鋰離子電池充電器的設計與採用以往充電技術的充電器不一樣。

鋰離子電池可以分成兩大類:

不可充電型和可充電型，其最大特點是比能量高。

比能量指的是單位重量或單位體積的能量，用Wh/kg或Wh/L表示。

2.2.1鋰離子電池參數特性

充電溫度：

一般情況下，鋰離子電池的充電溫度為0℃～45℃。

放電溫度：

一般情況下鋰離子電池的放電溫度為-20℃～65℃。

迴圈壽命的數據：

10%放電深度時，大於1000次，100%放電深度時，大於200次。

存儲特性：

在充滿電狀態的鋰離子電池在20℃下保存28天的容量保存率平均為96%，恢復率是99%以上。

延長鋰離子電池使用壽命的方法：

鋰離子電池在經歷了300—500個充放電週期之後便會因容量退化而失效。

而且，由於鋰離子電池的自然老化現象，其平均使用壽命僅為2—3年。

鋰離子電池的老化速度受到諸多因素的影響，例如環境溫度及其充電狀態。

為了減緩其老化過程，需要將鋰離子電池存放在低溫處並對其進行部分充電。

2.2.2鋰離子電池的放電特性

鋰離子電池在使用中不可過充、過放，否則將損壞電池，使之報廢。

因此，電池上一般有保護元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。

正確使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分重要的。

鋰離子電池是目前應用最為廣泛的鋰電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形及扣式，而且有由幾個電池串聯在一起組成的電池組。

鋰離子電池的額定電壓為3.6V（個別產品為3.7V）。

鋰離子電池對充電要求很高，必須保證充電終止精度在1％之內。

充電完成時的終止充電電壓與電池陽極材料有關；陽極材料為石磨材料的電池為4.2V；陽極材料為焦炭的電池為4.1V，不同陽極材料的內阻也不同，焦炭陽極的內阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖2所示。

圖2常規鋰離子電池的放電曲線

2.2.3鋰離子電池的充電特性

鋰離子電池易受到過充電、深放電以及短路所造成的損害，其充電電壓必須嚴格限制。

充電速度通常不超過1C，最低放電電壓為2.7～3.0V，如再繼續放電則會損壞電池。

鋰離子電池以恒流轉恒壓方式進行充電。

採用1C恒流充電至4.1V（或4.2V）時，充電器應立即轉入恒壓充電，充電電流逐漸減