锂电池充电器的设计.docx

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锂电池充电器的设计

锂电池充电器的设计

[摘要]本设计以单片机为控制核心，系统由指示灯电路、电源电压与环境温度采样电路、精确基准电压产生电路和开关控制电路组成。

实现了电池充电、LED指示、保护机制及异常处理等充电器所需要的基本功能。

本文对锂离子电池的参数特性、充电原理与充电方法进行了详尽的描述，并提出了充电器的设计思想和系统结构。

该电路具有安全快速充电功能，可以广泛应用于室内外单节锂离子电池的充电，如手机、数码产品电池等。

[关键词]锂离子电池，充电器，硬件电路，软件设计

Thedesignoflithiumbatterycharger

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

第一章绪论

1.1课题的背景及目的

电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。

由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。

目前，由于常规充电技术不能适应各类新型电池的要求，因此严重影响电池的使用寿命。

所以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。

再者延长电池寿命的关键是合理选择充电参数，如电流、电压和温度。

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。

实践证明，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。

所以现在必须要找到一种新的锂电池充电方法。

1.2论文的构成及研究状况

（1）首先考虑到锂电池与其他可充电电池的不同，其对充电的要求也不同，讨论出对其比较好的充电控制方法，从充电控制精度、充电时间、充电过程的智能化管理方面来设计充电器的硬件电路。

（2）参考一些比较优秀的充电器，学习其中比较先进的充电控制的思维，总结出一定的设计方法，正如毛主席说的：

“我是靠经验吃饭的”。

总结别人的优秀设计经验，为自己的设计提供等多的思维空间。

（3）从总体上把握充电器的结构、功能，做出总体上的结构框架，并做出其结构框架图。

（4）选取MPU（8051）与LTC1325来进行硬件电路的设计。

先对LTC1325控制芯片作详细的分析，清楚其工作原理及控制过程，再根据芯片的特点及充电流程设计硬件电路。

（5）根据充电流程，编写软件程序。

1.3锂电池充电器的功能描述

充电器是特为化学电池设计的理想产品，它们使电池的三项关键指标达到最优化，即容量、寿命和安全性。

正是锂离子电池在各个领域越来越广泛的应用，推动了对锂离子电池充电器的研究。

目前一些大的厂家生产的充电器都具有以下特点：

具备限流保护，电流短路与反充保护线路设计：

自动、快速充电、充满电后自动关断等等。

有的还具有LED充电状态显示、低噪声、模拟微电脑控制系统等特点。

由于锂离子的特点使得其对充电器的要求比较苛刻。

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除了需要进行预充、充电终止检测、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、限制充电时间，为电池提供附加保护，由此可见实现安全高效的充电控制已成为锂离子电池推广应用的目标。

按照锂离子电池的特性参数和充、放电曲线完成充电器设计，可以完成如下的功能：

（1）电池充电功能：

完成基本的充电功能，能按电池的充电曲线，完成恒流/恒压充电。

（2）LED指示：

电池正在充电，充电器的LED指示灯显示为红色；充电后，LED指示灯显示为绿色。

（3）保护机制：

当电池和充电器的工作温度超过设定范围，或者充电电压出现异常时，系统的红色LED指示灯闪烁，期间隔为0.5s。

此外，对于过压和过流状况采取相应的保护措施，保证充电的正常运行。

（4）异常处理：

系统能在排除异常后，重新恢复充电。

第二章锂电池充电器的介绍及系统设计框架

2.1锂离子的介绍

2.1.1锂离子电池的发展

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。

2.1.2锂电池的工作原理及结构

（1）工作原理

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2-1。

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2-1LiCoO2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，从上面的过程可以看出，锂永远以离子的形态出现，不会以金属的形态出现，因此，这样的电池叫做锂离子电池。

氧化钴锂具有稳定的层状结构，但是当失去锂离子后，其结构就能使正极的晶型比较稳定，电池就能继续使用；如果电压过高，就会使这种层状结构变得极不稳定，可能造成晶型坍塌，使电池报废。

负极第一次化成（充电）之后，正极中的锂离子被冲到负极层中。

放电时，负极层中的锂，又回到正极中，但是化成之后，负极层中的锂不能完全被拿出，有一部分锂必须被留在负极中，以保证下次锂能正常迁入，否则电池寿命就会缩短。

为了保证负极层中能留住一部分锂，必须限制放电电压，一般放电电压不能低于2.5V。

（2）基本结构

圆柱型锂离子电池的基本结构如图2-2所示：

图2-2圆柱型锂离子电池的构造图

用复合金属氧化物在铝板上形成阴极，用锂碳化化合物在铜板上形成阳极，两极板间插入聚烯氢薄膜状隔板。

为了使锂离子能通过隔板，隔板上有亚微米级的微孔，电解液为有机溶剂，阳极和阴极极板卷成螺旋状，插在圆筒形的容器中。

为了确保锂离子电池安全工作，该电池中装有检测电池温度的正温度系数热敏电阻（PTC），为了防止电池内压力过高，电池顶盘上留有安全放气孔。

2.1.3锂电池充电器的充电特性

（1）锂电池的数特性

充电温度：

一般情况下，锂离子电池的充电温度为0℃～45℃。

放电温度：

一般情况下锂离子电池的放电温度为-20℃～65℃。

循环寿命的数据：

10%放电深度时，大于1000次，100%放电深度时，大于200次。

存储特性：

在充满电状态的锂离子电池在20℃下保存28天的容量保存率平均为96%，恢复率是99%以上。

延长锂离子电池使用寿命的方法：

锂离子电池在经历了300—500个充放电周期之后便会因容量退化而失效。

而且，由于锂离子电池的自然老化现象，其平均使用寿命仅为2—3年。

锂离子电池的老化速度受到诸多因素的影响，例如环境温度及其充电状态。

为了减缓其老化过程，需要将锂离子电池存放在低温处并对其进行部分充电。

（2）锂电池的放电特性

锂离子电池在使用中不可过充、过放，否则将损坏电池，使之报废。

因此，电池上一般有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。

正确使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。

锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形及扣式，而且有由几个电池串联在一起组成的电池组。

锂离子电池的额定电压为3.6V（个别产品为3.7V）。

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2-3所示：

图2-3常规锂离子电池的放电曲线图

（3）锂电池充电器的充电特性

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2-4所示，

图2-4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。

2.2系统设计框架

锂离子电池在充、放电使用中必须注意保护。

用一个形象的肥皂泡沫做比喻，锂离子电池如同一堆肥皂泡沫，泡内存储的就是电能。

充电时，气泡会随着充电时间的加长而不断增大，当超过其极限值时气泡就会破裂，此时即损坏了锂电晶型，造成永久性损坏；若过度放电，则会造成气泡塌陷、消失，这样下次充电时气泡就充不起来，导致锂电池失效。

设计系统框架时，除了技术参数外，系统的可靠性和安全性也是至关重要的。

为了保证充电不对电池造成永久性损坏，在设计中必须考虑保护措施（包括过流保护、过压保护和温度保护）。

另外，充电器充电过程包括了恒流工作阶段和恒压工作阶段，且系统必须保证恒流、恒压的稳定性。

图2-5所示时系统的设计框架，包括电压/温度采样模块、开关控制模块、保护机制模块和充电模块。

图2-5系统框架设计图

保护机制：

该模块将系统的工作状态实时显示出来，并根据事先编写的软件响应监控信号。

在实现时，该模块电路被分散在其他3个模块的实现电路中。

开关控制：

该模块利用A/D采样检测充电恒流，在非法工作时关断系统电源。

充电功能模块：

该模块的主要功能是产生精确的基准电压，完成电池充电，并实时采样系统状态。

温度/电压采样：

该模块完成充电器电源电压和环境温度的采样，并根据采样值决定系统的工作状态。

2.3锂电池充电方法

2.3.1恒流充电（CC）

采用恒流充电式，可使电池具有较高的充电效率，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2-6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2-6恒流充电法曲线图

2.3.2恒压充电（CV）

在恒压充电法中，电池两端电压决定了充电电流，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。

充电电流随着电压波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免使电池过充电，充电曲线如图2-7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。

另外，在此种充电方式中，充电末期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，将造成电池的热失控，损害电池的性能，因此不推荐采用恒压充电方式。

图2-7恒压充电法曲线图

2.3.3恒流恒压充电（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，电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低。

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，又称为二阶段式充电法。

恒流恒压充电曲线如图2-8所示。

图2-8恒流恒压充电曲线图

2.3.4脉冲充电

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

后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。

如图2-9所示。

图2-9脉冲充电法曲线图

第三章锂电池充电器的设计

3.1锂电池充电器的工作原理

图3-1锂电池充电器的工作原理图

3.1.189C51芯片简介

图3-2单片机引脚图及引脚图

单片机的40个引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

1、电源:

（1）VCC-芯片电源，接+5V；⑵VSS-接地端；

2、时钟：

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3、控制线：

控制线共有4根。

（1）ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

①ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

②PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

（2）PSEN：

外ROM读选通信号。

（3）RST/VPD：

复位/备用电源。

RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

（4）EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

EA功能：

内外ROM选择端。

Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4、I/O线

a、80C51共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

电源：

这当然是必不可少的了。

单片机使用的是5V电源，其中正极接40管脚，负极（地）接20管脚。

b、振蒎电路：

单片机是一种时序电路，必须供给脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。

c、复位管脚：

加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。

d、EA管脚：

EA管脚接到正电源端。

至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。

在该图中，微处理器MPU处接一个液晶显示，可以根据时间来显示充电的状态以达到智能的功能。

3.1.2系统指示灯电路

系统指示灯有两个：

红色LED和绿色LED。

当电池处于充电状态时，充电器的红色指示灯亮，绿色指示灯熄灭；当电池充电基本完成，进入涓流阶段时，充电器的绿色指示灯亮，红色指示熄灭；若出现异常状况，则红色指示灯闪烁，绿色指示灯熄灭。

如图3-3所示，LED直接连接至单片机I/O口，RES2电阻利用分压原理得到LED的工作电位差，并利用与LED串联的特点限制其工作电流，起过载保护的作用。

图3-3系统指示电路图

3.1.3电源电压与环境温度采样电路

电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量，是电池温度升高。

由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电路中设置热敏电阻等温度检测元件，当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。

如图3-4所示，该电路完成充电器电源电压和环境温度的采样。

当电源适配器电压或环境温度超出设定范围时，系统应该报警提示并立即停止充电。

图3-4电源电压与环境温度采用电路图

电路原理和器件功能描述如下：

（1）Vref连接精确基准电源产成电路，为温度采样提供可靠的标准值。

（2）连接Vref的10kΩ电阻为分压电阻。

（3）系统利用热敏电阻的压降计算得到温度值，利用T_AD连接至单片机的管脚，再利用该管脚的A/D转换器向单片机输入温度采样值。

（4）电压值利用电路作半部分的分压电路得到，利用P_AD连接至单片机的管脚，再利用该管脚的A/D转换器向单片机输入电压采样值。

（5）利用分压电路取数据可使采样值处在A/D转换器的允许范围内。

（6）电容C4起滤波的作用，防止采样点电压的波动。

3.1.4精确基准电源产生电路

如图3-5所示，该电路为电源提供基准电源。

系统使用由德州仪器公司生产的TL431三端可调分流基准源，TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等。

图3-5精确基准电源产生电路图

3.1.5开关控制电路

图3-6右边电路使两个A/D采样子模块。

一个用于采样电池的电压（U_AD标号）；另一个用于采样充电电流（I_AD标号）。

A/D采样的工作原理：

充电电流的采样是利用一个0.25Ω阻值的电阻，通过电流产生的压降进行的。

这个形成压降的电阻不能很大，否则会形成过大的压降。

在U_AD的电压入口处连接了阻值为1MΩ的电阻，它主要起放电的作用：

在实际的测试中，发现电池拿走后其残留的电压比较大，不能检测到电池已被移出，因此利用这个电阻放电。

如图3-6，系统利用两个三极管（Q1和Q2）做开关控制，对电池进行充电。

图3-6开关控制电路图

3.2锂电池充电器的设计理念

3.2.1设计思路

充电器机上电源后，系统首先要检查是否有电池放入，准备充电，同时还必须检测电池是否可用。

然后系统须连续数次检测各个A/D通道，进行电源电压、环境温度等数据的初始化，设定系统初始值。

如果电池电压采样通道连续3次检测到电压值大于1.0V，则认为充电器内已放入电池，且电池可用，开始充电。

整个充电过程可分3个阶段进行，每个充电阶段的数据独立，但他们的处理机制基本一致。

对于这3个充电阶段，A、B两阶段必须做到恒流控制，C阶段必须做到恒压控制，这是充电阶段的主要功能部分。

恒流、恒压控制电路已知，单片机必须对I/O口的数据做出判断，并根据判断向外部电路发出正确的动作指示。

3.2.2系统主流程

图3-7所示为系统主流程，它包括初始化函数、电池检测函数、预充电子程序、快速充电子程序和涓流充电子程序，该流程图给出了软件的执行时序。

按照系统主流程的时序设计，各函数的调用机制为：

（1）单片机上电后，初始化寄存器

单片机上电后，完成系统主流程的主函数将使用CALL指令调用初始化函数，初始化工作包括3个方面：

定义全部寄存器和单片机端口、初始化片内寄存器和端口状态、系统监控系统复位并启动，中断复位等待。

初始化过程将清除上次充电的所用记录，同时启动系统的监控函数，并复位中断系统，通常这已过程十分迅速，一般会在放置电池前完成。

（2）调用检测电池的子程序，完成检测

检测电池的子程序将用当前的状态值覆盖先前无电池时采样的无效值，然后对取得的状态值判断此刻充电器放置的电池是否可用。

一般来说，系统将连续做4次电源电压、电池电压、电池温度和充电电流的采样，将采用的状态值与系统预设的正常参数进行比较：

若4次比较的结果全部无误，则进入电池检测子程序；若4次比较的结果存在错误，则系统一直检测下去，直到连续4次比较的结果全部无误。

图3-7系统主流程图

（3）确认充电器中存在电池后，再根据电池电压是否大于3V的条件，决定采用预充电还是快速充电。

确认充电器内的电池可以进行充电，系统将进入电池检测子程序：

如果程序检测到电池的电压大于1V，则认为充电器内有可用的充电电池；否则系统认为无电池或电池不可用，并退出函数，再重新开始执行检测电池的子程序。

这一过程依然利用CALL指令完成。

如果电池检测子程序确认充电器内放置了有效的电池，那么系统将做进一步的检测。

检测当前电池的电压是否大于3V，如果电池电压大于3V，考虑电路采样和单片机端口的损耗，电池的实际电压很可能已达到快速充电的电压要求，因此，可以跳过预充阶段，直接进行快速充电。

（4）再相应的充电阶段，子程序内部保持循环，不断检测，直至相应阶段充电完毕，退出相应的子程序。

充电子程序包括预充充电子程序、快速充电子程序和涓流充电子程序。

可根据电池电压的值跳过预充充电子程序，直接进入快速充点子程序。

当系统进入到充电子程序后，如果不跳过预充充电子程序，则其正常执行时序时：

预充充电子程序→快速充电子程序→涓流充电子程序。

各充电子程序模块均表明电池充好后退出。

是否退出当前充电子程序，重新调用检测电池的子程序，有各充电子程序的内部CALL指令决定：

如果充电正常，只退出子程序，顺利进入下已充电子程序；如果充电异常，将不进入下一充电子程序，重新调用检测电池的子程序。

3.2.3充电流程设计

充电分A阶段（预充阶段）、B阶段（快速充电阶段）和C阶段（涓流充电阶段）3个阶段完成。

各充电阶段的子程序流程描述如下：

（1）进入充电流程，子程序开始检测充电器中有无电池，置标志信号，

如果没有电池则退出子程序。

（2）随后系统I/O口的高电平使开关控制电路的三极管导通，5V电源

电压直接为电池充电3ms。

在此期间，程序轮循采样电源电压、充电电流以及电池、环境温度