锂离子电池充电控制器的设计与实现.doc

锂电池充电控制器的设计与实现 班级 650705姓名 李波指导教师 杨大鹏一 本课题研究的目的和意义随着社会的发展，各种便携式设备已经逐步走进了我们的生活：手机,MP3,笔记本电脑，数码相机，便携式dvd等已经成为了我们日常生活的一部分。伴随着便携式电子产品的发展，其用电问题也越来越受到大家的关注。目前，市场上有一次电池和二次电池，一次电池是一次性应用的电池，二次电池是可以反复使用的电池。随着便携式设备的发展，无论从节约成本来说，还是从环境保护的角度来说，二次电池都比一次电池更有优势，因此二次电池的市场需求量也越来越大。锂离子电池自20世纪90年代上市以来，它以能量密度高，使用寿命长的特点倍受重视。基于市场的要求，世界各大电池生产商为了在市场领域里取得优势，无不致力于开发具有能量密度高，小型化，薄型化，轻量化，安全性高，循环寿命长，低成本的新型电池。对此，聚合物锂离子电池具有上述各项优点，是各厂商致力研究的目标。聚合物锂离子电池基于安全、轻薄等特性，广泛应用于便携式设备，所以聚合物锂离子电池是21世纪移动设备最佳的电源解决方案。然而，锂离子电池已易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率通常不超过1C，最低放电电压为2.73.0V，如再继续放电，则会损害电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1C充电速率充电至4.1V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小；当电池充足电后，进入涓流充电过程。为避免过充电或过放电，充电器必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。二 本课题的主要工作内容和预期达到的目标主要工作内容：（1） 了解并掌握锂离子电池的各种充电方式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2-1所示。图2-1 恒流电源充电电路2.恒压充电恒压充电电路如图2-3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2-3 恒压充电电路3.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2-6所示。图2-6 分阶段充电的简单示意图(2) 设计充电器的结构框图充电器结构框图（3） 设计充电控制器的各个硬件模块1. 电源产生部分电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78系列和负电压输出的lm79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，且有一定的电压、电流输出，能够获得不同的电压和电流，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。 典型的LM7805应用电路2. 电压转换及光耦隔离电路部分本次设计选择了6N137光耦合器：6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流。特性：转换速率高达10MBit/s;摆率高达10kV/us;扇出系数为8;逻辑电平输出;集电极开路输出;工作参数：最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压(输出高)：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL负载)：8个(最多) 工作温度范围：-40C to +85C 典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等 6N137光耦合器的内部结构、管脚如图所示。6N137光耦合器的真值表输入使能输出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH图3-1 6N137光耦合器 6N137光耦合器的真值表3.充电电路的设计MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管，可以对单节锂离子电池进行安全有效的快充，其最大特点是在不使用电感的情况下仍能做到很低的功效耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时间限制为锂离子电池提供二次保护。MAX1898的典型充电电路如图3-6所示。MAX1898的典型充电电路（4） 给出最终设计电路板，进行调试（5） 总结，撰写论文实验测试方法（1） 用软件对电路进行模拟。在制作电路板前，用protel对电路进行模拟仿真。（2） 软件调试。编写单片机程序并对单片机进行调试，使单片机控制可以达到预定目标。（3） 综合调试。将电源模块，光隔模块，充电模块组合到一起，检测各个模块之间的配合，使电路能满足既定要求。预期目标及应用（1） 提交一块可用的电路板；（2） 提交一篇总结研究过程的毕业论文；三前期准备工作情况1调研：深入了解了锂电池充电器的设计资料和技术指标。2查找资料：查找了有关锂电池充电方法的论文，国内外先进充电产品的技术资料，有关锂离子电池的资料，光隔离和充电芯片的资料。3阅读文献：1K.Hirakawa，A.Measuring and Analyzing Method for Battery Conditions Using a New Field Data Collection system，evsl17，20002MAXIM :Cost-Saving Multichemistry Batter-Charger System，20023刘美俊，基于AT89C2051单片机的智能充电器设计J.集成电路与元器件卷，2004，7：78-79.4钟伟雄，基于AT89C51 的智能充电器的设计J. 信息技术，2009，5：31-33.4复习相关课程：模拟电子技术基础 单片机技术及应用 电磁兼容 电力电子5. 设计原理框图和各硬件模块四.核心器件及其经费预算核心器件器件型号价格主要性能指标单片机AT89C2051光耦6N137三端稳压器LM7805充电芯片MAX1898五、要求的实验条件及落实情况1 实验室： 2 计算机：一台3 测试设备：示波器，稳压电源六、课题的难点及解决方法锂离子电池易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。为提高充电控制电路对锂离子电池充电电压的精确度，采用了内部光耦电路，减小了电路内部干扰。另外，采用MAX1898配合外部PNP或PMOS晶体管，提高了电压调节精度。七、可能的创新点目前，市场上的充电设备已经具备了体积小、重量轻；自动、快速充电、限流保护、电流短路与反充保护线路设计，但是无法识别充电时的状态。本设计可以直接显示出充电状态为恒压充电还是恒流充电。另外，当电池充满以后的自动断电保护功能，可以有效防止电池的过充，提高了电池的安全性。八、时间安排2010.12-2011.1 收集资料，熟悉锂电池充电方法的原理和特点，熟悉原有电池充电电路；3.7 3.21 (1-2周)设计模拟调理电路的整体框图，查阅各部分设计的不同方案；3.224.4（3-4周）分析，仿真计算，确定最终实现方案；4