多功能充电器的设计1 3.docx

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多功能充电器的设计13

四川理工学院毕业设计论文

多功能充电器的设计

学生：

高洪

学号：

10021050103

专业：

电子信息科学与技术

班级：

2010.1

指导教师：

杨秋霞

四川理工学院自动化与电子信息学院

二O一四年六月

多功能充电器的设计

摘要：

本课题设计了一种多功能的充电器，在设计上，选择了简洁、高效的硬件，设计稳定可靠的电路，详细说明了系统的硬件组成，包括变压电路、稳压电路、直流输出电路及电池充电电路，并对本充电器电路的绘制工具protel99se软件进行了较详细的介绍。

阐述了系统的软硬件设计。

以protel99se软件为制图工具，进行了详细设计。

实现了电路的可靠性、稳定性、安全性和经济性。

该智能充电器具有：

1）可对镍镉/镍氢和3.6v锂离子电池充电。

2）采取智能充电方式，指示灯随充电过程相应变化。

3）对外可做为输出极性可变的直流电源。

关键词：

充电器，镍镉电池，锂离子电池，protel99se

Designofmultifunctionalcharger

Gaohong

（SichuanUniversityofScienceandEngineering,Zigong,China,643000）

Abstract：

Thedesignofthisprojectisamultifunctionalchargerintelligent,inthedesign,selectionofthesimple,efficienthardwarecircuitdesign,stableandreliable,detaileddescriptionofthesystemhardware,includingballastcircuit,voltagestabilizingcircuit,DCoutputcircuitandintelligentchargingcircuit,andthechargercircuitdrawingtoolsoftwareProtel99SEintroducedindetail.Describesthehardwareandsoftwaredesignofthesystem.TakingProtel99SEsoftwareasadrawingtool,hascarriedonthedetaileddesign.Thecircuitreliability,stability,securityandeconomy.

Theintelligentchargerwith:

1）theNiCd/NIMHand3.6Vlithiumionbatterycharging.2）taketheintelligentchargingmethod,thecorrespondingindicatorchangeswiththechargingprocess.3）foreigncanbeusedasaDCpowersupplyoutputpolarityvariable.

Keywords:

charger,Nickelcadmiumbattery,Lithiumionbattery,Protel99SE

第1章绪论

1.1镍镉/镍氢及锂离子电池的发展  

1899年，Waldmar Jungner在开口型镍镉电池里，最先使用了镍极板，几乎与此同时，Thomas Edison 发明了用在电动车的镍铁电池。

遗憾的是，因为当时这些碱性蓄电池的极板材料比其它蓄电池的村料贵得多，所以实际应用受到了极大的限制。

后来，Jungner的镍镉电池通过几次重要改进，性能明显提高。

其中最重要的改进是在1932年，科学家在镍电池中开始运用了活性物质。

他们将活性物质加入多孔的镍极板中，再将镍极板装入金属壳内。

镍镉电池发展史上又一个重要的里程碑是1947年密封型镍镉电池研制成功。

在这种电池中，化学反应产生的各种气体不用排出，可以在电池内部化合。

密封镍镉电池的研制成功，使镍镉电池的应用范围大大增加。

密封镍镉电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、重量轻、结构紧凑，并且不需要维护，因此在工业和消费产品中得到了广泛应用。

70年代中期，美国研制成功了功率大、重量轻、寿命长、成本低的镍氢电池，并且于1978年成功地将这种电池应用在导航卫星上，镍氢电池与同体积镍镉电池相比，容量可提高一倍，而且没有重金属镉带来的污染问题。

它的工作电压与镍镉电池完全相同，工作寿命也大体相当，但它具有良好的过充电和过放电性能。

近年来，镍氢电池受到世界各国的重视，各种新技术层出不穷。

镍氢电池刚问世时，要使用高压容器储存氢气，后来人们采用金属氢化物来储存氢气，从而制成了低压甚至常压镍氢电池。

1992年，日本三洋公司每月可生产200万只镍氢电池。

目前国内已有20多个单位研制生产镍氢电池，国产镍氢电池的综合性能已经达到国际先进水平。

随着空间技术的发展，人们对电源的要求越来越高。

1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。

1982年伊利诺伊理工大学（theIllinoisInstituteofTechnology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。

与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。

首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

随后发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。

其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

1992年日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。

随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

此类以钴酸锂作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。

1.2电池工业的发展特点

纵观电池发展的历史，可以看出当前世界电池工业发展的三个特点：

一是绿色环保电池迅猛发展，包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；

二是一次电池向蓄电池转化，这符合可持续发展战略；

三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。

作为电子产品不可或缺的电池，其重要性已经越来越显著。

第2章镍镉/镍氢及锂离子电池简介

2.1镍镉电池简介

镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用。

其内部抵制力小，既内阻很小，可快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。

镍镉电池可耐过充电或过放电。

镍镉电池的放电电压根据其放电装置有所差异，每个单元电池（Cell）大约是1.2V，电池容量单位为Ah（安时）、mAh（毫安时），放电终止电压的极限值称为“放电终止电压”，镍镉电池的放电终止电压为1.0/cell（cell为每一单元电池）。

自放电率低，镍镉电池在长时间放置的情况下，特性也不会劣化，充分充电后可完全恢复原来的特性，它可在－20℃+60℃的温度范围内使用。

由于单元电池采用金属容器，坚固耐用；采用完全密封的方式，不会出现电解液泄漏现象，故无须补充电解液。

提高电池性能及延长电池使用寿命的关键在于避免记忆效应和过度放电。

镍镉电池有记忆效应，即镍镉电池在几次低容量下的充放电工作之后，如果要进行一次较大容量的充放电，电池将无法正常工作，这种情况即为记忆效应（Memoryeffect）。

特别是在放电终止电压被设定的较高的录像机、摄像机上，随着工作电压的降低，电池容量表面上也随着降低，但放电电压的降低可能是一至二次完全放电而造成的暂时现象。

记忆效应使得电池的性能不能得到充分发挥，也给拍摄带来极大的不便。

因此，在使用中应注意使用带充放电性能的充电器，如Sony公司的BC－1WDCE，避免记忆效应的产生，使用一般充电器的如BC－1WA、BC－1WB时，可在10次左右的充电以后进行一次放电，也可以达到防止记忆效应的目的。

2.2镍氢电池简介

镍氢电池的正极板材料为氢氧化镍（NiOOH），负极板材料为高能储氢合金，电解液通常用30%的KOH的水溶液并加入少量的NiOH，隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。

镍氢电池的正极与镍镉电池基本相同，由于负极采用了高能储氢合金材料，镍氢电池具有更大的能量。

因镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池也基本相同，所以镍氢电池在使用时可完全替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。

镍氢电池具有较好的低温放电特性，即使在－20℃环境温度下采用大电流（以1C放电速率）放电，放出的电量也能达到标称容量的85%以上。

但是，镍氢电池在高温（+40℃以上）时的蓄电容量将下降5%～10%。

这种由于自放电（温度越高，自放电速率越大）而引起的容量损失是可逆的，通过几次充放电循环就能恢复到最大容量。

镍氢电池的开路电压为1.2V，与镍镉电池相同。

镍氢电池的充电过程与镍镉电池非常相似，都要求恒流充电，两者的差别主要体现在快速充电的终止方法上。

单体镍氢电池的结构是密封圆柱形，标称电压为1.2V，它主要有容量大  NiMH电池的“储能密度”，以5号（AA型）可充电电池为例，至少在1000mAh以上，好的能达到1400mAh，在同等体积和重量的条件下，其容量是镍镉电池的2～3倍，而比传统型镍镉电池要多出1倍多。

2.3锂离子电池简介

锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命较长，价格也越来越低。

它的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越多。

锂离子电池的不足之处在于对充电器的要求比较苛刻，对保护电路的要求较高。

其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（精度高于1％）。

另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电终止检测除电压检测外，还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施，如检测电池温度、限定充电时间，为电池提供附加保护。

由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。

2.4课程研究的内容及意义

本课题设计对象主要为可对多种可充电电池的充电，并具有直流输出功能。

具体要求为：

1）可对一节到三节5号、7号镍镉、镍氢电池与一个3、6V的电池锂电池充电，充电电流可选择100、200或300MA

2）采取智能充电方式，以选定的100MA到300MA的电流充电时红色指示灯闪烁发亮，充电接近完成呢时，充电电流逐渐减小，指示灯的亮度逐渐减弱，同时绿色指示灯逐渐发光，充电变为脉冲充电；充满电时，绿色指示灯的亮度最大，充电电流转为小电流充电电压。

3）对外可做为输出极性可变的3.2V到5.2V电压，电流1A的直流电源。

本课题设计研究的意义在于：

第一，充分研究镍氢/镍镉及3.6v锂离子电池的充放电特性，寻找有效的充电方法及电池管理途径。

第二，充电器具有智能充电功能，可以保护电池并能够优化充电时间。

第三，本次设计的充电器所用的元器件简单，制作成本十分低廉。

第四，具有多种充电功能于一身，代替单一充电器，十分方便外出携带。

轻巧，简单，智能是当今电子的发展方向。

第3章电池特性及充电方案论证

3.1镍镉/镍氢电池及锂离子电池工作特性

3.1.1镍镉电池的工作特性

（1）镍镉电池电化学反应原理

位于负极的镉（Cd）和氢氧化钠（NaOH）中的氢氧根离子（OH-）化合成氢氧化镉，并附著在阳极上，同时也放出电子。

电子沿著电线至阴极，和阴极的二氧化镍与氢氧化钠溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子，氢氧化镍会附著在阳极上，氢氧根离子则又回到氢氧化钠溶液中，故氢氧化钠溶液浓度不会随著时间而下降。

镍镉电池充电化学反应式：

正极反应：

Ni（OH）2+2OH-→2e-+NiO2+2H2O

负极反应：

Cd（OH）2+2e-→Cd+2OH-

总反应：

　Cd（OH）2+Ni（OH）2→Cd+NiO2+2H2O

镍镉电池放电化学反应式：

负极反应：

Cd+2OH-→Cd（OH）2+2e-

正极反应：

2e-+NiO2+2H2O→Ni（OH）2+2OH-

总反应：

Cd+NiO2+2H2O→Cd（OH）2+Ni（OH）2

镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。

负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。

活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。

极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。

（2）镍镉电池特性曲线

在0.05C至大于1C的范围内对NiCd电池恒流充电。

一些低成本充电器使用绝对温度终止充电。

虽然简单、成本低，但这种充电终止方法不精确。

更好的方法是通过检测电池充满时的电压跌落终止充电。

放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。

如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。

放电终止电压和放电率有关。

镍镉电池的放电终止电压和放电速率的关系如表3-1所示。

表3-1镍镉电池不同放电率时的放电终止电压

放电率

放电终止电压（v）

8小时率

1.10

5小时率

1.00

3小时率

0.1

1小时率

0.5

a.镍镉电池的电压曲线大致分为三段，具体见图3-1。

图3-1镍镉电池的充电特性

b.镍镉电池充电电流和温度特性变化，具体见图3-2。

图3-2镍镉电池电流温度随时间变化特性

3.1.2镍氢电池的工作特性

（1）镍氢电池电化学反应原理

镍氢电池正极是粘在基板上的NiOOH/Ni（OH）2，NiOOH是放电时的活性物质，Ni（OH）2是充电时的活性物质，两者在充放电循环中相互转化。

镍氢电池的负极是高能储氢合金，既是贮氢材料又是负极材料。

在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单格电池，在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。

镍氢电池充电化学反应为:

正极

负极

充电总反应

镍氢电池放电化学反应为:

正极

负极

总反应

从化学反应方程式可以看出：

充电时镍氢电池的负极析出氢气并储存在容器中，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍（NiOOH）和H2O；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。

（2）镍氢电池特性曲线

a.镍氢电池在不同充电速率下的充电特性曲线,如图3-3所示。

图3-3镍氢电池在不同充电速率下的充电特性曲线

b.镍氢电池在不同温度下的1C放电特性曲线,如图3-4所示。

图3-4镍氢电池在不同温度下的1C放电特性曲线

c.镍氢电池的循环寿命曲线如图3-5所示。

图3-5镍氢电池的循环寿命曲线

3.1.3锂离子电池工作特性

（1）锂离子电池电化学反应原理

目前最常用的锂离子电池的负极为石墨晶体，正极为氧化钴锂。

它的LiCoO2层状结构示意图如下图3-6。

下面以这种电池为例说明锂离子电池的基本工作原理：

石墨晶体和氧化钴锂都具有层状结构，这种层状结构化合物允许锂离子进出，而材料结构不会发生不可逆变化。

充电时，正极中的锂原子电离成锂离子和电子。

得到外部输入能量的锂离子，在电解液中由正极向负极迁移，并且锂离子和电子在负极上复合成锂原子，重新形成的锂原子插入到负极石墨的层状结构中。

图3-6LiCoO2层状结构示意图

放电时，插入到石墨晶体中的锂原子从石墨内部向负极表面移动，并在负极表面电离成锂离子和电子，他们分别通过电解液和负载流向正极，在正极重新复合成锂原子然后插入到正极的氧化钴锂的层状结构中。

锂离子电池充电化学反应为:

正极LiCoO2==Li（1-x）CoO2+XLi++Xe-（电子）

负极6C+XLi++Xe-=LixC6

充电电池总反应：

LiCoO2+6C=Li（1-x）CoO2+LixC6

正极材料：

可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。

不同的正极材料对照表3-2。

表3-2锂离子电池不同正极材料对照表

LiCoO2

3.7V

140mAh/g

Li2Mn2O4

4.0V

100mAh/g

LiFePO4

3.3V

100mAh/g

Li2FePO4F

3.6V

115mAh/g

（2）锂离子电池工作曲线

锂离子电池对充电要求很高，必须保证充电终止精度在1％之内。

充电完成时的终止充电电压与电池阳极材料有关；阳极材料为石磨材料的电池为4.2V；阳极材料为焦炭的电池为4.1V，不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别，如图3-7所示：

图3-7常规锂离子电池的放电曲线图

锂离子电池易受到过充电、深放电以及短路所造成的损害，其充电电压必须严格限制。

充电速度通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电则会损坏电池。

锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。

采用1C恒流充电至4.1V（或4.2V）时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减少，当电池充足电后，进入涓流充电过程，如图3-8所示，

图3-8锂离子电池的充电曲线图

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

3.2电池充电方案论证

3.3.1.充电方案分析

（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3-9所示。

图3-9恒流电源充电电路

由于恒流充电一般电流持续且比较大，会让镍镉/镍氢电池内部产生气泡，容易让电池发胀，有爆炸的危险。

而锂离子电池能接受大电流持续充电，因此，此种方案适合镍氢锂电池的前期充电。

（2）恒压充电

恒压充电电路如图3-10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3-10恒压充电电路

由于充电电流随着充电过程逐渐减小，具有保护电池的功能，此方案更适合镍镉/镍氢电池的充电特性，也适合锂电池的后期充电要求。

（3）浮充方式

在浮充方式中，电池以很小的电流（C/30～C/20）进行充电，以使电池保持在满充状态。

浮充方式广泛应用于电池作为备用电源或应急电源的电气设备中。

常规浮充方式充电电路如图3-11所示。

图3-11浮充方式充电电路

由于浮充方式适合电池直接和负载相连的充电，而此次设计的充电器对移动的电池充电，不适合此次充电方案设计。

（4）涓充方式

电池与负载并联，同时电池与电源（充电器）相连。

正常情况下，直流电源作为负载的工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变得很大、直流电源端电压低于电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载放电。

在这种方式下，充电电流由使用模式决定。

下图3-12为涓充方式的简单示意图。

图3-12涓流方式的简单示意图

由于涓充方式可以具有直流输出的功能，能够作为本次充电器的直流输出部分设计。

（5）分阶段充电方式

在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。

当电池电压达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。

分阶段充电方式是电池最理想的充电方式，但缺点是充电电路复杂和成本较高。

另外，需增设控制点的电池电压的监测电路。

分阶段充电方式的简单示意图如图3-13所示。

图3-13分阶段充电的简单示意图

分阶段充电过程复杂，考虑到设计成本问题，不适合本次智能充电的要求。

3.3.2电池充电方案论证

电池的充电过程通常可分为预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。

对长期不用的或新电池充电时，一开始就采用快速充电，会影响电池的寿命。

因此，这种电池应先用小电流充电，使其满足一定的充电条件，这个阶段称为预充电。

快速充电就是用大电流充电，迅速恢复电池电能。

快速充电速率一般在1C以上，快速充时间由电池容量和充电速率决定。

为了避免过充电，一些充电器采用小电流充电。

由于镍镉/镍氢电池正常充电时，可以接受C/10或更低的充电速率，这样充电时间要10h以上。

采用小电流充电，电池内不会产生过多的气体，电池温度也不会过高。

只要电池接到充电器上，低速率恒流充电器就能对电池提供很小的涓流充电电流。

电池采用小电流充电时，电池内产生的热量可以自然散去。

涓流充电主要问题是充电速度太慢，例如，容量为1Ah的电池，采用C/10充电速率时，充电时间要10h以上。

此外，电池采用低充电速率反复充电时，还会产生枝晶。

涓流充电时，都没有任何电压或温度反馈控制，因而不能保证电池充足电后，立即关断充电器。

快速充电适合锂电池充电特性。

它可恒流充电和脉冲充电两种，恒流充电就是以恒定电流对电流充电，脉冲充电则是首先用脉冲电流对电池充电。

然后让电池放电，如此循环。

电池脉冲的幅值很大、宽度很窄。

通常放电脉冲的幅值为充电脉冲的3倍左右。

虽然放电脉冲的幅值与电池容量有关，但是，与充电电流幅值的比值保持不变。

结论：

综合以上充电方案分析论证，本次设计的充电器采用恒压充电方法，可以通过调节电阻值达到不同电压输出，同时具备应对不同类型电池的充电要求。

第4章Protel99SE简介

4.1Protel99SE的发展历史

随着电子工业的飞速发展,电路构成的复杂化与精密化,器件体积的减少与功能变得越来越复杂,电路板的结构也就变得愈来愈复杂与精密,这使得传统的生产工艺随着计算机的发展和普及,逐渐将计算机辅助设计技术引入其中，而相应软件的发展是伴随着操作系统的发展而前进的。

最早在DOS系统中运行的版本称之为TANGO软件包,由美国ACCELTechnologiesInc.公司于1985左右推出,运行于MS-DOS操作系统。

开创了电子设计自动化（EDA）的先例。

随后由ProtelTechnology公司推出升级版ProtelforDOS，由于其简单、易用，迅速风行大陆。

随着Windows操作系统的诞生，Protel公司于1991年适时推出ProtelforWindows版本，其后，1998年，推出了Protel98forWindows95/NT，是第一个包含了五个核心模块的真正32位的EDA工具。

1999年推出了Protel99，构成从电路设计到真实板分析的完整体系，随后2000年又推出了Protel99SE，性能又进一步提高，可以对设计过程有更大控制能力。

2005年底AltiumDesigner6.0成功推出后，集成了更多工具，功能更强大，特别是在PCB设计这一块性能大大提高。

它是完全一