锂离子电池的充电器设计.doc

目录1引言.11.1课题研究背景.11.2充电器功能描述.22系统设计框架与技术参数.32.1系统设计框架.32.2锂离子电池特性.42.2.1锂离子电池参数特性.42.2.2锂离子电池的放电特性.42.2.3锂离子电池的充电特性.52.3锂电池充电方法.62.3.1恒流充电（CC）.62.3.2恒压充电（CV）.62.3.3恒流恒压充电（CC/CV）.72.3.4脉冲充电.72.4系统技术参数.83充电器硬件设计.93.1系统指示灯电路.93.2电源电压与环境温度采样电路.103.3精确基准电源产生电路.113.4开关控制电路.114充电器软件设计.124.1系统软件总体设计思路.124.2系统主流程.124.3充电流程设计.144.4程序设计.155总结.16致谢.16参考文献.16附录一系统整体电路图.18附录二程序清单.191引言1.1课题研究背景近年来，各种携带式的电子产品成为市场上的热门，如手机、数位相机、个人数字助理（PDA）、笔记型电脑等3C(Computer,Communication,ConsumerElectronics)等等产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品的各项高性能元件也往轻、薄、短、小的目标迈进，因此对于体积小、重量轻、能量密度高的二次电池需求相当迫切。因此,电池厂商也研发出各种不同用途的电池，来适应电子装备的需求。使电子产品具有携带更方便，使用时间长等特点。小型二次电池包括镍镉电池、镍氢电池及锂电池，在防止镉污染的环保需求下，镍镉电池慢慢被取代已成趋势。镍氢电池虽无环保问题，但是能量密度低，高温特性差及少许记忆效应等缺点，在3C产品应用上，已经逐渐被锂离子电池所取代。锂离子电池具有工作电压高(3.7V)、能量密度大(150Wh/kg)、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，皆以锂离子电池做为其能量来源，因为电子产品的使用量迅速成长，各种可携带式电子产品的研发不得不更轻薄短小以使产品能更具有竞争力，“电池”的角色显得更加重要，其品质的良莠甚至决定了产品的成功与否，特別是可充电二次电池，在市场中成长快速、利润高，目前已成为许多先进国家竞相发展的研究项目，其未来需求及发展前景是相当看好的。总的来说，锂离子电池具有以下优点：（1）能量密度高，其体积能量密度和质量能量密度分别可达360Wh/dm3和150Wh/kg，而且还在不断提高。（2）工作电压高，通常单节锂离子电池的电压为3.7V，单体电池即可为3V的逻辑电路供电。对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。（3）自放电小，每月10%以下，不到镍镉电池的一半。（4）可快速充放电，1次充电时容量可达标称容量的80%以上。锂离子电池负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。在特定情况下可在短时间内充足电，而且安全性能大大提高。（5）寿命长，锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。目前，锂离子电池的寿命可达1000次以上，远远高于各类电池。（6）允许温度范围宽，锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在-20+60C0之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。此外，锂离子电池还具有体积小、输出功率大、无记忆效应和无环境污染等优点。综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池，尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但还是存在有如下的缺点。（1）与干电池无互换性：锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池互换的缺点，当蓄电池放完电时，一般的想法是用干电池暂时取代但由于这两者电压不同，不能直接代换。（2）无法急速充电：锂离子电池不能像镍镉电池那样，用15分钟急速充足电。锂离子电池的充电方法是，最初以恒定电池充电，最后则以恒定电压完成充电，较快速度充电时间约需2小时。（3）内部阻抗高：因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多。所以，锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大10倍左右。（4）工作电压变化较大：电池放电到额定容量的80%时，镍镉电池的电压变化很小(约20%)，锂离子电池的电压变化很大（约40%）。对电池供电的设备来说，这是严重的缺点，但可以由锂离子电池放电电压变化比较大，很容易据此检测电池的剩余电量。（5）放电速率较大时，容量下降较大。（6）必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放。但同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。因此锂离子电池具有广泛的应用价值，其经济价值相当可观。1.2充电器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。2系统设计框架与技术参数2.1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1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。温度/电压采样充电功能模块保护机制主控制单元MCU开关控制图1系统框架设计保护机制：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。2.2锂离子电池特性锂离子电池在现实生活中使用的非常频繁，而锂离子电池充电器的设计与采用以往充电技术的充电器不一样。锂离子电池可以分成两大类:不可充电型和可充电型，其最大特点是比能量高。比能量指的是单位重量或单位体积的能量，用Wh/kg或Wh/L表示。2.2.1锂离子电池参数特性充电温度：一般情况下，锂离子电池的充电温度为045。放电温度：一般情况下锂离子电池的放电温度为-2065。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300500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23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。2.2.2锂离子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所示。图2常规锂离子电池的放电曲线2.2.3锂离子电池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2.73.0V，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所示。图3锂离子电池的充电曲线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。2.3锂电池充电方法充电管理是锂离子电池管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。目前锂离子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。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4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。u,i0t充电电压充电电流图4恒流充电法曲线2