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锂电池充电器的设计精品

锂电池充电器的设计

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。

充电管理是锂电池管理的重要组成部分，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。

本文从锂电池的结构原理着手，通过对锂电池性能及常用充电方法的研究，分析了充电过程及充电方法对锂电池性能的影响，并在此基础上设计了一款智能锂离子的充电器。

此充电器可对目前市场上具有的各种型号和容量的锂电池进行快速安全的充电。

采用这种方案进行锂电池充电器的开发具有成本廉价和易于编程升级的优点，有着广阔的市场前景。

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。

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：

ADC（模数转换）；PWM（脉宽调制）；C8051F300单片机

Thedesignoflithiumbatterycharger

Abstract

Lithiumbatteryisbeingwidelyusedinthesuitableselectionforportableapplicationfortheirhighenergydensityandlonglife.Chargingmanagementistheessentialpartinbatterymanagement.Safe,reliable,fastandhighefficientchargerguaranteesgoodperformanceandapplicationofthebattery.

Thestructure,performanceandchargingmethodofLithiumbatteryisstudiedinthisthesis.Anddifferentimpactsontheperformanceofbatteryviadifferentchargingwaysandprocessareanalyzedindetail,basedonwhich,anintelligentchargerforLithiumbatteryisdesigned.Thechargercanchargeallkindsoflithiumbatteriesquicklyandsafely.Exploitingthechargeroflithiumbatteriesthiswayhastheadvantageoflowcostandeasytoupgradeinprogramming,whichhasavastmarketprospect.

Inhardware，thethesisachievesthehardwaredetailcircuitincludingtheMCUsystem，voltage，current，temperaturesamplingcircuitandkey-press.Insoftware,thedesignadoptsmodularprocedures，whichanalysistheplottingandfunctionofeachmodule，andthespecificwayofrealization，areintroduced.Accordingtotheworkdemandsofthesystem，lowpowerconsumptionandsoftwareanti-interferencearedesigned，whichinsurethesafetyandreliabilityofthesystem.Thedesigncanimprovestheintellectualizationlevelofthebatterycharger,realizethecontroltothechargeprocessmoreprecisely,andlengthensthebatterylife.

KeyWords:

ADC;PWM;C8051F300

第一章绪论

1.1课题背景

随着信息技术的迅猛发展，信息化正以不可思议的速度渗透到各个领域，电池作为一项传统产业，正经历着前所未有的变革，特别是在通信、动力及军用领域，对电池均有新的要求，为了满足市场的需求，智能电池应运而生。

多年来，小型电子系统和设备一直以镍镉电池作为其标准电源配置。

少数较大的设备如便携式计算机、高功率无线电设备等则靠密封型免维护铅酸蓄电池供电。

其后由于环境问题及对电池要求的提高，新的电池技术得到发展产生了镍氢（NiMH）电池、可充电碱性电池和锂电池。

与之相适应的更复杂的电池充电和保护电路应运而生。

最近几年电池技术的革新主要体现在锂电池技术上。

锂电池的容量比目前大批量生产的任何可充电电池（如NiCd、NiMH）电池的容量都大。

虽然以体积作为度量尺度时锂电池的容量仅比同样体积大小的NiMH电池容量仅大10%-30%，但是对于便携式设备体积大小并非其唯一重要指标，设备的轻重度同样很重要。

当以单位重量计算储能多少时，锂电池的优势一下体现出来了。

NiMH电池相对锂电池而言要重些，同等质量的容量相比，锂电池将近是NiMH电池的两倍。

 目前流行的铅酸密封蓄电池充电器大多采用三段式（恒流、恒压、浮充）充电方法，充电时间长，效率低，对电池的保护差，容易发生过充电或者充电不足的现象。

过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；充电不足，可使蓄电池内化学反应不充分，并且长期充电不足会导致电池容量下降。

以上两种情况都会降低蓄电池的使用寿命。

由此可见，充电器性能的好坏直接影响到蓄电池的使用效果和使用寿命。

 通常来说，简易充电器是不能够为不同工艺所制造的电池或者是相同工艺但是容量、电压不同的电池充电的。

用简易的充电器为上述不同的电池充电，轻则造成电池充电不当，重则会酿成一系列的安全事故。

用微控制器则可以解决上述问题。

将微控制器用于电池充电的场合，除了智能控制的优势之外，还有降低成本、结构简单的特点。

使用微控制器能够在很短的周期内开发出可应用于各种场合，功能完善的智能充电器，另外微控制器也能狗轻松实现串行通信、实时数据记录和监测。

1.2锂离子电池的工作原理

锂离子电池目前有液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLIB）两类。

其中，液态锂离子电池是指以Li＋嵌入化合物为正负极的二次电池。

正极采用锂离子化合物锂钴氧化物（LiCoO2），锂镍氧化物（LiNiO2）或锂锰氧化物（LiMn2O4），负极采用锂－碳层间化合物LixC6电解质为溶解有锂LiPF6,LiAsF6等有机溶剂。

聚合物锂电池的正极和负极与液态锂离子电池相同。

只是原来的液态电解质改为含有锂盐的凝胶聚合物电解质,而目前主要开发的就是这种。

对于锂离子电池，使用不同的活性材料，包括电池的正极材料，负极材料和电解质，电池的性能特性也会有所区别。

负极材料中，目前常用的有焦碳和石墨。

其中，石墨由于低成本、低电压（可以得到高的电池电压）、高容量和高可恢复的优点，被广泛采用。

正极材料中，主要以锂金属氧化物为主。

目前常用的有锂钴氧化物（LiCoO2）、锂镍氧化物（LiNiO2）、锂锰氧化物（LiMn2O4）以及纳米锰氧化物。

其中，锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、循环性好的优点，并且生产工艺简单、电化学性质稳定，其作为锂离子电池的正极材料，适合锂离子的嵌入和脱出。

锂镍氧化物自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低,与锂钴氧化物相比，具有一定的优势。

锂锰氧化物优点是稳定性好，无污染，工作电压高、成本低廉。

锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质。

锂离子电池对电解质溶剂的要求是：

高导电性、高分解电压、无污染、安全。

锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负两极由两种锂离子嵌入化合物组成。

充电时，Li＋从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡，放电时则相反，Li从负极脱嵌，经电解质嵌入正极（这种循环被形象的称为摇椅式机制）。

在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物层间嵌入嵌出，因为过渡金属氧化物LiCoO2，LiNiO2中低自旋配合物多，晶格体积小，在锂离子嵌入脱嵌时，晶格膨胀收缩性小，结晶结构稳定，因此循环性能好，而且充放电过程中，负极材料化学结构基本不变，因此从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆过程。

1.3锂离子电池的电特性及充电方式

1.3.1锂离子电池的充放电特性

根据锂离子电池本身的结构特征，其充放电有着与镍基材料化学电池完全不同的充放电特性。

它的充电过程一般采用恒流转恒压的充电模式。

充电开始为恒流充电阶段：

电池的电压较低，充电的电流基本不变，充电的速率一般为1C（C=充电电流/电池容量），对于500mAh的电池即为500mA的充电电流。

随着充电的继续进行，电池的电压逐渐上升。

当单体电池的电压升到4.2V时，充电器立即转入恒压充电：

恒压充电时，单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.2V±50mV，若充电电压超过4.5V可能造成理离子电池的永久性破坏。

此阶段为恒压充电阶段，充电电流下降较快，温度上升，最后当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段：

涓流充电也称维护充电，在维护充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态。

用这种方法，第一个小时可充入电池额定容量的80%，两小时后电池即可充到额定容量。

电池充电终止的检测方法是判断充电电流，当充电电流降到某一定值时终止充电。

例如充电电流降80mA（典型值为起始充电电流的10%左右）时终止充电，也可以在检测到电池电压达到4.2V时启动定时器，在一定的延时后终止充电。

锂离子电池典型充电特性曲线如图1-1所示：

图1-1锂电池充电曲线示意图

锂离子电池的放电特性比较简单。

一般，锂离子电池放电起始电压为4.2V，放电终止电压约为2.5V，放电终止时，电池电压不得低于2.2V，否则将造成电池的永久性损坏。

此外锂离子电池的放电电流也不应过大，放电电流一般不应超过3C，否则也会严重影响电池寿命与使用质量。

需强调的一点是，不同的放电速率放出锂离子电池额定容量的程度也不同，例如容量为500mAH的锂电池用0.2C（100mA）的放电速率放电时，可放出全部额定容量，而采用1C（500mA）的放电速率，只能放出额定容量的90%。

锂离子电池的一个特点是比较容易显示剩余电量，因为其工作电压随时间徐徐下降，而镍镉电池镍氢电池则保持一定的电压值，直到放电末期，电压才急速下降。

因此锂离子电池放电过程，可通过对照放电特性曲线图，测量电池两端的电压来判断剩余电量。

锂电池放电特性示意图如图1.2所示：

图1-2锂电池放电特性示意图

1.3.2锂电池的充电方法

锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为便携式应用制造出更小和更轻的电池，更轻和更小的电源对便携式应用而言常常是至关重要的。

不过，要想充分利用电池容量或延长电池寿命，必须极其严格地控制充电参数。

在充电过程中，施加电压的精度对提高电池的效率和延长电池的寿命具有非常重要的作用。

超过充电终止电压将导致过充电，这在短期内会增加电池的供电量，但长期来说则会导致电池失效并产生安全问题。

充电终止电压每提高1%，电池的初始容量就会增大约5%。

这种显而易见的短期增益效应会对电池的充电/放电次数产生严重的后果。

过充电导致了充电次数的减少。

另一方面，欠充电尽管不会产生安全问题，但会显著减小电池的容量。

因此，延长电池寿命的关键是合理选择充电方法及参数，如电流、电压和温度。

目前锂电池充电主要有四种方法：

恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电。

1.恒流充电（CC）

恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。

该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图1-3所示。

这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。

但由于锂电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。

图1-3横流充电法曲线

2.恒压充电法（CV）

在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

充电曲线如图1-4所示。

从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对锂电池的寿命会造成很大影响。

图1-4恒压充电法曲线

3．恒流恒压充电法（CC/CV）

在CC/CV充电器中，充电通过恒定电流开始。

在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。

当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。

在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85%的容量。

在CV周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10容量时，充电周期完成。

恒流恒压充电曲线如图1-5所示。

图1-5恒流恒压充电法曲线

4.脉冲充电法

脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。

脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。

当电池电压上升到充电终止电压VCV后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。

在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。

每次充电时间为TC后,然后关闭充电回路。

充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上并升超过充电终止电压VCV；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。

电池电压恢复到VCV时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。

在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到VCV的时间达到某个预设的值TO为止，可以认为电池已接近充满，如图1-6所示。

图1-6脉冲充电法曲线

在以上四种充电方法中，锂电池充电仍以恒流恒压的方法为主。

虽然恒流恒压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充电效率高，因此在锂离子电池充电中占主导地位。

本文所设计的充电器也将采用这种充电方法。

1.4课题意义

随着信息技术的发展，锂电池得到了越来越广泛的应用。

传统的充电器采用的充电技术主要是恒流、恒压或者是两者相结合，这些充电方法很容易造成锂电池过冲或者是充电不足，并且充电时间很长，在一定程度上缩短了蓄电池的使用寿命，为使用者造成一定的经济损失。

据此，研制出一种快速充电且能延长锂电池电池寿命的充电器就成为一项很重要的任务。

本课题的目的是设计出一款用单片机控制实现的智能锂电池充电器。

此充电器可对目前市场上具有的各种型号和容量的锂电池进行快速安全的充电。

采用这种方案进行锂电池充电器的开发具有成本廉价和易于编程升级的优点，有着广阔的市场前景。

第二章系统的硬件设计

2.1系统的整体设计方案

本设计要实现对单节锂电池的快速充电，需要使用C8051F300单片机作为控制核心和控制桥梁；下载端口采用JTAG口实现程序的下载与烧录;实现渐弱终止充电的快速转换器。

本设计实现了充电电压、电流、电池温度的实时检测。

在电池充电的最后阶段，可以通过监测电流电压或两者的值来决定何时结束充电。

同时，如果电池温度超过最大设定值，应立即结束充电。

实现了对充电过程的智能控制。

系统设计的参数如下所示：

电压输入：

8V-15V

电池参数：

单节锂电池、额定电压4.2V、容量150mAh

低电流充电电流大小：

37.5mA

快速充电电流大小：

150mA

低电流充电最长时间：

90min

快速充电最长时间：

90min

电池额外充电时间：

30min

电池温度下限：

-10℃

电池温度上限：

50℃

最低快速充电电压：

3V

系统实现框图如图2.1所示：

图2.1系统框图

由系统框图可知，本设计主要由四模块构成：

电源模块、单片机模块、JTAG下载端口模块、快速转化器模块。

（1）电源模块

本设计电源模块采用LM340低压差线性稳压器以及一些滤波整流电路组成，由于本设计采用的单片机的工作电压为3.3V，所以电压经线性稳压器降压后输出电压为3.3V。

（2）单片机模块

本设计采用新华龙公司生产的C5051F300作为控制核心。

（3）JTAG下载端口模块

本设计采用JTAG下载端口进行程序下载与烧录。

连线简单，使用方便。

（4）快速转化器模块

实现一个渐弱终止充电器的最经济的方法就是用一个快速转换器。

快速转换器是一个用一个电感和/或一个变压器（需要隔离的时候用变压器）作为能量存储单元以离散的能量包的形式将能量从输入传输至输出的开关调节器。

反馈电路通过晶体管来调节能量的传输，同时也作为过滤开关，以确保电压或电流在负载时保持恒定。

系统硬件设计分为三部分：

电源模块的设计、单片机和JTAG口的连接设计、快速转化器的设计。

系统软件设计分为十部分：

主程序设计、校准ADC子程序设计、监测电流子程序、快速充电子程序、低电流充电子程序、关闭PWM子程序、测量子程序、调节电压子程序、调节电流子程序、中断服务程序。

软件设计框图如图2.2所示：

图2.2软件设计框图

2.2充电电路的设计与实现

2.2.1单片机选型

本设计采用新华龙公司生产的C8051F300单片机作为控制核心。

C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SoC），具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。

C8051F单片机具有片内调试电路，通过10脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。

下面列出了一些主要特性：

（1）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）

（2）真正8位500ksps的11通道ADC，带PGA和模拟多路器。

（3）高精度可编程的25MHz内部振荡器

（4）2/4/8K字节可在系统编程的FLASH存储器

（5）256字节片内RAM

（6）3个通用的16位定时器

（7）具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）

（8）片内上电复位、VDD监视器和温度传感器

（9）片内电压比较器

（10）8个端口I/O（容许5V输入）

C8051F300系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。

CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。

CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括两个标准的16位计数器/定时器、一个具有外部振荡器输入的增强型16位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8个I/O端口。

C8051F300器件内部有两个电压比较器，可以由用户软件使能/禁止和配置。

所有端口I/O引脚都可被配置为比较器输入。

如果需要，可以将两个比较器输出连到端口引脚：

一个锁存输出和/或一个未锁存的输出（异步）。

比较器的响应时间是可编程的，允许用户在高速和低功耗方式之间选择。

比较器的正和负回差电压也是可配置的。

2.2.2电源模块的设计

电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，本设计的电源模块采用LM2937-3.3作为稳压器件，LM2937-3.3是一种正电压调整器，能提供500mA负载电流，并且能理想地把5V至26V的输入电压降低为3.3V电压来作为特定用途集成电路的电源。

当输入电压超过5V时，其内部组成特殊的电路使LM2937500mA满负载时，静电流减小到10mA以内。

以下简单介绍此电压模块的几个主要特点：

（1）工作温度在-40℃到+125℃之间；

（2）输出电流一般为500mA；

（3）在所有工作条件下，输出误差在5%以内；

（4）有较宽的输出电容ESR范围（0.01Ω-5Ω）；

（5）内部有瞬间短路保护、超负荷热量保护、短暂60V高电压输入保护和镜像插口保护；

（6）输入电压为4.75V-26V，输出电压为3.3V；输出满负载电流为500mA时，静电流为2mA。

DS1是经过调整、稳压后的输出电压VDD的电源指示灯，用来检查整个系统的供电情况。

此外，在电源模块电路中加上了高频滤波电路，目的是将电压信号中的高频信号滤除，减少电源噪声对系统的影响，增强系统的抗干扰能力。

电源模块电路设计图如图2.3所示：

图2.3电源模块电路图

2.2.3单片机外围电路的设计

本设计单片机外围电路设计十分简单。

单片机电源引脚上加一旁路电容，目的是为了使电路工作更稳定，减少振荡。

因为电路板上的印刷电路存在电阻和电感成分，在电路板上，数字IC的安装位置可能距离提供稳定电压的稳压IC较远，因而电源铜箔的电阻及电感就较大。

当数字IC的输出在进行"L/H"的转换时，在稳压IC的电源铜箔及地线铜箔上就流过高频脉冲电流。

由于电感对于高频信号具有高的阻抗，就会在IC的VDD端子上引起大的电压波动，造成数字IC的工作不稳定。

所以，在单片机的VDD引脚要就进对地接一旁路电容。

单片机的XTAL1引脚作为PWM输出与快速转化器连接。

单片机的P0.7、RST引脚与JTAG口连接，作为程序下载端口。

P0.4、P0.5、P0.6引脚作为电池电压、电流、温度的检测端口与快速转换器连接。

单片机外围电路图如图2.4所示：

图2.4单片机外围电路图

2.2.4快速转换器的设计

实现一个渐弱终止充电器的最经济的方法就是用一个快速转换器，快速转换器是一个用一个电感和/或一个变压器（需要隔离的时候用变压器）作为能量存储单元以离散的能量包的形式将能量从输入传输至输出的开关调节器。

反馈电路通过晶体管来调节能量的传输，同时也作为过滤开关，以确保电压或电流在负载时保持恒定。

设计中为了减小电流的脉动，降低输出纹波，在体积和成本允许的情况下设计选用饱和电流比较大的电感，因为当磁芯接近饱和时损耗增大，会降低转换效率。

电感的饱和电流至少应大于充电回路中的峰值电流。

同时，电感的直流电阻会消耗一定的功率，在体积和成本许可的情况下设计选用直流电阻尽量小的电感。

另外对于低噪声应用，为降低电源的电磁干扰，设计选用具有闭合磁芯的电感。

肖特基二极管D2的作用是吸收电感的反向电动势，保护MOSFET开关管Q1。

快速转换器如图2.5所示：

图2.5快速转换器

2.2.5快速调节器操作

快速调节器的操作是通过控制一个晶体管开关的占空比来实现的。

占空比会自动增加以使电池流入更多的电流。

当VBATT

如图2.6所示，电流流入电池和电容C。

这个电流同时也存储在电感L中。

VBATT持续升高，直到超过VREF，此时比较器将开