基于单片机的锂离子电池充电系统设计方案及对策

1、-. z. - w -大学泉城学院毕业设计方案题 目 基于单片机的锂离子电池 充电系统设计专 业 电气工程及其自动化班 级 1301班学 生 良洁 学 号 2013010873指导教师兴达志轩二一七年四月十日学院工学院专业电气工程及其自动化学生良洁*2013010873 设计题目 基于单片机的锂离子电池充电系统设计选题背景与意义1. 国外研究现状自90年代以来，中国正日趋成为世界上最大的电池生产国和最大的电池消耗国。随着科技的发展，人们对身边电子产品的数字化、自动化和效率的要求越来越高。便携式电池成为用户的首选，随着各式各样的电池出现，用户在选用电池时，在考虑到电池的环保、性价比的同时，更加注

2、重电池的便携性。正因为锂离子电池具有高的体积比能量和环保性能，符合当前世界电池技术的发展趋势，逐渐成为市场的主流1。我国锂电池行业的年增长率已超过20%，2016年电池总体需求量达到50亿块左右。可见，在当前和今后相当一段时间，锂电池将成为我国电池工业的龙头。虽然我国已是仅次于日本的锂离子电池生产大国，市场增长空间巨大，但并非强国，在全球锂离子电池产业仍处于低端。随着手机用户的日益增多，如何保养手机也成为了众多手机使用者面临的一个实际问题，而手机电池作为手机的一个重要组成部分，直接影响了使用寿命和性能。智能手机的屏幕越来越大，功能越来越多，现有的锂离子电池产品越来越难以满足需求，选择合适的充电

3、器，可以延长我们的手机锂离子电池的使用寿命。现阶段消费者除了通过原厂配备的充电器给便携式设备充电之外，普遍采用的是通过移动电源来补充电池的电量。根据日本矢野经济研究所的预测，锂离子电池正以53.33%的年增长率快速取代传统的镍铬镍氢电池市场。目前国移动电源市场上主要的品牌有小米、爱国者、品胜、华为等，国外市场比较知名的品牌有BOOSTCASE、MALA 等。移动电源市场在近几年得到了很大的发展，市场中出现了各式各样的品牌。与此同时，在移动电源产品中也存在很多需要解决的问题。比如：自身充电所需时间过长，USB输出电压不稳定，电能转化效率不高，输出保护较为单一，输出大电流时散热性能不好等。相较于国

4、外而言，国的锂电池智能充电系统性能欠佳，还需要加大研究力度2。2. 选题的目的及意义近几年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。其中锂离子电池以其重量轻、储能大、功率大、无记忆效应、无污染、自放电系数小、循环寿命长等优点，脱颖而出，迅速成为市场的主流。锂电池是20世纪末才出现的绿色高效能可充电电池，目前随着锂离子电池的推广及大量应用，锂离子电池深受社会和用户的欢迎3。目前已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机及众多的便携式设备，其中笔记本电脑占23%，手机占50%，为最大领域。电子、信息及通讯等3C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组件也往轻、薄、短、小”

5、的目标迈进，而锂离子电池是最佳的电源供应来源。锂电池也被称之为最有应用前途的化学电源”，甚至被称为极限电池”或最后一代电池”。锂离子电池作为一种绿色环保电源，正以其独特的魅力，影响着我们的世界。同时，其作为新兴的能源材料，正处于蓬勃发展时期，进一步研究和开发锂离子电池对发展与能源密切相关的各项产业都具有非常重要的意义。随着锂离子电池性能的不断提高和成本的不断降低，该系列电池也逐步应用于交通工具、航空航天、军事、医疗等其它方面的领域，将成为最具发展前景的可充电电池4。我们相信，未来的锂离子电池在我们手中将会取得更加丰硕的成果。二、设计容本文以AT89C51单片机为核心元件，是针对手机锂离子电池的

6、智能调节充电系统设计5。系统主要包括锂离子电池充电系统硬件方案设计、硬件系统所涉及到的元器件参数计算及型号选择、锂离子电池单片机系统软件流程图设计及程序实现、整体系统调试、校验以及优化调整。设计容主要分为硬件设计和软件设计，包含AT89C51单片机控制模块、电路保护模块、信号采集模块、LCD液晶显示模块和声光报警模块6。各模块功能如下：AT89C51单片机控制模块：核心控制部分，作为整个设计的主控制模块。电路保护模块：具有输入过压保护、输出过流保护和过充电保护等。充电时保护电路因过流或短路造成的部电路问题。信号采集模块：对电流、电压和温度进行采集，通过传感器将信号传递给单片机。LCD液晶显示模

7、块：显示充电电量百分比以及不同电量时所使用的充电方式。声光报警模块：通过硬件电路实现保护，给单片机中断管脚发出脉冲信号，引发中断程序实现保护，并引发蜂鸣器报警。涉及到的硬件包括：AT89C51，MA*1898芯片，A/D转换器，蜂鸣器，传感器，热敏电阻等。单片机负责控制整个系统的运行，包括充电机参考电压电流值的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭，根据电池电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能，针对不同充电电量用不同的充电方式对电池进行充电，延长锂离子电池的使用寿命，实现对电源系统的能化管理7。本次软件设计采用AT89C51单片机结合MA*1898

8、锂离子电池充电芯片，C51高级语言编程软件设计，AD软件绘PCB电路原理图。充电状态输出引脚经过74LS04反向后与单片机INT0相连触发外部中断，设置最大充电时间为3小时。监测MA*1898的输出信号CHG，当MA*1898将要完成充电时，该引脚会发出周期为4s的脉冲，单片机的INT0引脚接收中断后，产生中断，并使用单片机的T0计数器开始计数，当下一个脉冲到来时，在定时器程序中判断单片机的计数值是否在4s左右，如果是，则通过P1.2和P1,.3引脚关断电源，并引发蜂鸣器报警8。其软件设计实现的功能如下：不同电量时使用不同的充电方式（恒流、恒压、涓流），延长锂电池的使用寿命，实现锂离子电池的充

9、电控制功能；插上电池，绿灯亮，开始进行充电。充满后充电器自动关断，红灯亮，蜂鸣器报警；LCD液晶显示，充电时显示电流、电压、电量百分比以及充电方式；对电流、电压及温度进行检测，实现锂离子电池充电控制过温过压保护功能，保证安全充电；当系统出现异常情况时，蜂鸣器发出警报。本文研究了当前国外锂离子电池充电监控系统的现状，由于是基于单片机的系统设计，保证了采集、传输以及处理过程中的可靠性，设计了一套锂离子电池充电监控报警系统，完成了软硬件的设计9。通过软硬件测试，该充电系统均衡及保护电路简捷、灵敏、可靠。通过实验测试，该系统具备低功耗、高精度、高稳定性、反应灵敏、操作简便等优点10。单片机负责控制整个

10、系统的运行，包括充电机参考电压电流值的给定，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭，根据电池电压、充电电流、温度等各种参数来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能11。本设计中所采用的AT89C51单片机和充电集成电路进行充电器的设计，不但能够实现对锂电池进行充电，而且还能够实现相应的过压和温度保护，从而可以充分发挥锂电池的性能，并避免了充电器在充电时可能对电池造成损害的情况发生，具有一定的智能功能。该方案有效地保护了电池、缩短了充电时间并尽量延长锂电池的使用寿命，符合目前的环境保护潮流。三、设计方案本次设计介绍了基于AT89C51单片机的锂离子电池智能充电系统。用单片机对充电过程进行智

11、能控制，对于锂电池的产品质量和检测系统提出了更高的要求，提高了手机电池的使用效率，能够延长电池的使用寿命。在电池充电过程中，系统采用恒压恒流的充电状态，给过放电的电池使用涓流充电，保证了锂离子电池安全充电12。该设计包括硬件电路和单片机软件模块。硬件设计由A/D转换电路、保护电路、复位电路、信号采集电路和检测电路等几部分组成。电路设计如图1.1所示：锂电池充电回路功率电路电流采样驱动电路温度检测A/D转换液晶显示52单片机电压采样声光报警图3.1 硬件电路设计图(1)A/D转换电路ADC0832是8位的逐次逼近型模数转换器，有两个可多路选择的输入通道，使系统可以同时对电压、电流以及温度信号进行

12、采集，而不需要再扩展A/D芯片13。该A/D转换器部包含有采样保持电路，另外，其部自带参考电压。A/D转换器是通过其 AVCC 引脚供电。片自带 5V 的基准电压 VREF+，当进行电压、电流和温度等信号采集时，可以在 VREF+引脚上加上电容进行解耦，这样可以对噪声更好的抑制。(2)保护电路根据设计要求，保护电路主要有短路保护电路和过流保护电路。短路保护电路主要由负责端电压取样电路、比较电路和1V的基准电压电路组成，其实质是由外部中断通知单片机电池需要进行短路保护，单片机在中断程序中启动短路保护，切断主回路14。过充保护电路的基本思路是：当通过电压检测电路检测到电池电压达到4.25V0.05

13、V时，MCU的控制信号CHARGE输出低电平使三极管Q18截止，使充电回路关断，起到过充电保护作用；相反，当电池电压低于4.0V时，控制信号CHARGE输出高电平使三极管Q18导通，使充电回路导通。(3)复位电路采用STC809R作为复位芯片，该芯片是专用复位芯片，具有很多优点：在上电时，当时钟振荡稳定而且电压值大于用户设定值，单片机才开始工作；掉电时，当电压值低于用户设定值，单片机才能复位；电池电压下降到一定值，单片机始终处于复位状态，且此时处于超低功耗，避免电池出现过放；具有掉电检测电路，在掉电过程中有充分的时间保存数据15。(4)信号采集电路信号采集电路包括电流采集电路、电压采集电路和温

14、度采集电路16。其中电流采集电路选用MA*4081作为检测芯片。该芯片输入电压围4.5V至76V，非常适合于需要严密监视高压电流的系统，因此可以直接用电池组的最高电压作为其供电电源。另外，芯片的参考电压由系统提供，参考电压值为1.5V。该芯片的引脚OUT输出电压与参考电压、RS-和RS+三个引脚的电压状态有关。当RS-端电压高于RS+端电压，OUT引脚输出电压低于参考电压；当RS-端电压低于RS+端电压，OUT引脚输出电压高于参考电压。电压采集电路包含电池电压输入接口电路、高8路电压取样网络、低8路电压取样网络、高8路信号多路选通电路、低8路信号多路选通电路、放大电路。温度检测确保了安全充电步

15、骤的执行。由于本系统对温度信号的精度要求不高，因此系统采用100K的热敏电阻和1%精度的电阻分压进行温度检测，共设计了四路温度采集电路，每路的电压信号直接进入单片机的AD通道进行转换。(5)检测电路在充电过程中，充电系统需要实时检测电池电压、温度、充电电流，根据检测到的充电状态进行电池充电的实时控制17。状态检测电路直接影响到检测到的参数是否准确，充电控制是否得当，是智能充电系统的重要组成部分。充电状态检测电路主要完成的功能有电池电压的检测、充电电流的检测和电池温度的检测。它们的检测机制是通过主芯片部ADC的采样电路来实时采样电池状态的，再把ADC采样电路得到的数据进行处理得到我们需要检测的参

16、数。通过对设计要求的分析和各元器件的了解，得出分立元件与集成块的*些连接方法，选择合适的设计方案，从而达到设计功能的要求，并且把这些元器件焊接在一块电路板上。本次软件采用AT89C51单片机结合MA1898锂离子电池充电芯片进行设计，C语言进行编程。MA*1898和外部单片机的共同作用下，实现了充电的过程18。通过对硬件电路的分析，通过主要控制MA*1898使能及充电完成和充电出错时的信号指示控制，用软件程序来实现电流、电压、温度的采样和保护以及声光报警的功能。通过对锂电池状态的检测，使充电转入不同的充电阶段。进入不同的充电阶段后，通过一定的算法，改变单片机输出PWM 信号的占空比，实现不同阶

17、段充电的控制，并显示充电的状态。图1.2为正常充电状态下单片机软件程序流程图。图1.2 正常充电状态下软件程序流程图同时，系统软件设计对各个充电阶段都需要实时监测充电过程的异常。当充电器电压、电池电压、电池温度不满足充电条件时，就进入了异常处理状态。当出现异常情况时就会调用报警子程序发出报警信号，蜂鸣器会发出警报。通过对硬件和软件的设计，实现了智能充电，充分保证了锂离子电池充电过程的安全性。四、参考文献1 程立文. 手机电池的未来发展方向J. 电源技术,2008, (1):6-8.2 凌云, 任斌.我国锂离子电池产业现状及国外应用情况J. 电源技术, 2013, 37(5):883-885.3

18、 屈伟平. 锂电池的广泛前景及发展障碍J. 电源技术应用, 2009, (8):120.4 王海明, 绳楦, 兴顺. 锂离子电池的特点及应用J. 电气时代, 2004, (3):132-134. 5 徐振. 锂电池一般特性及管理系统分析J. *轻工业, 2009, (10):35-37.6 周鹏. 动力锂电池的充电及保护应用J. 电源技术, 2012, (5):648-649. 7 修强. 锂电池智能管理系统研究与设计D. 科技大学, 2013.8 林思岐. 电池均衡电路的研究及应用D. 交通大学, 2013.9 J. Garche, A. Jossen. Battery management systems(BMS) for increasing battery life timeJ. Proc. IEEE, 2000, (5):322-324.10 Jean-Francois Cousseau, Clemence Siret, Fuzzy-Controlled Li-ion Battery Charge Syste