锂电池充电器的设计

A1A0A2A3A4A5A6A8A1A0A7A9A11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G13491的设计，G2265G6336系G13491电G2399、电G8981、G9213度的采G7691及G2163能G6365G19202等。G17731件方面，采用G8181G3371G2282的程G5219设计，G1183G13473了G8181G3371G2022分和各G8181G3371的G2163能，G4466G10628的具G1319G12651法，G13485G1998了G8981程G3282，并G7693G6466系G13491G5049作G19668G8726进行了G1314G2163G13803和G17731件G6251G5190G6212设计，G11842G1457了系G13491G17828行的可靠G12295G4462性。本设计G6564高了充电器智能G2282G8712G5191，G7368G12946G11842的G4466G10628充电过程G6523G2058，G1457G6264电池，G5322长电池寿命。关键词ADCG708G8181G6980G17728G6454G709G727PWMG708G14045G4497G16855G2058G709G727C8051F300单片机A10A12A13A14A15A16A17A18A10A12A19A20A21THEDESIGNOFLITHIUMBATTERYCHARGERABSTRACTLITHIUMBATTERYISBEINGWIDELYUSEDINTHESUITABLESELECTIONFORPORTABLEAPPLICATIONFORTHEIRHIGHENERGYDENSITYANDLONGLIFECHARGINGMANAGEMENTISTHEESSENTIALPARTINBATTERYMANAGEMENTSAFE,RELIABLE,FASTANDHIGHEFFICIENTCHARGERGUARANTEESGOODPERFORMANCEANDAPPLICATIONOFTHEBATTERYTHESTRUCTURE,PERFORMANCEANDCHARGINGMETHODOFLITHIUMBATTERYISSTUDIEDINTHISTHESISANDDIFFERENTIMPACTSONTHEPERFORMANCEOFBATTERYVIADIFFERENTCHARGINGWAYSANDPROCESSAREANALYZEDINDETAIL,BASEDONWHICH,ANINTELLIGENTCHARGERFORLITHIUMBATTERYISDESIGNEDTHECHARGERCANCHARGEALLKINDSOFLITHIUMBATTERIESQUICKLYANDSAFELYEXPLOITINGTHECHARGEROFLITHIUMBATTERIESTHISWAYHASTHEADVANTAGEOFLOWCOSTANDEASYTOUPGRADEINPROGRAMMING,WHICHHASAVASTMARKETPROSPECTINHARDWARE，THETHESISACHIEVESTHEHARDWAREDETAILCIRCUITINCLUDINGTHEMCUSYSTEM，VOLTAGE，CURRENT，TEMPERATURESAMPLINGCIRCUITANDKEYPRESSINSOFTWARE,THEDESIGNADOPTSMODULARPROCEDURES，WHICHANALYSISTHEPLOTTINGANDFUNCTIONOFEACHMODULE，ANDTHESPECIFICWAYOFREALIZATION，AREINTRODUCEDACCORDINGTOTHEWORKDEMANDSOFTHESYSTEM，LOWPOWERCONSUMPTIONANDSOFTWAREANTIINTERFERENCEAREDESIGNED，WHICHINSURETHESAFETYANDRELIABILITYOFTHESYSTEMTHEDESIGNCANIMPROVESTHEINTELLECTUALIZATIONLEVELOFTHEBATTERYCHARGER,REALIZETHECONTROLTOTHECHARGEPROCESSMOREPRECISELY,ANDLENGTHENSTHEBATTERYLIFEKEYWORDSADCPWMC8051F300A10A12A13A14A15A16A17A18A10A12A19A20A21目录G6700要IABSTRACTIIG12544一G12468G13502G16782111G16850G20076G13984景112锂离子电池的G5049作原理213锂离子电池的电G10317性及充电方式3131锂离子电池的充G6930电G10317性3132锂电池的充电方法414G16850G20076G5859G10537G12544G1120G12468系G13491的硬件设计821系G13491的G6984G1319设计方案822充电电G17347的设计G994G4466G1062810221单片机G17885型10222电G9316G8181G3371的设计11223单片机G3818G3272电G17347的设计12224快速G17728G6454器的设计13225快速G16855G14422器G6817作14226G17885G6333快速G17728G6454器的电G587515227JTAGG2487设计1523锂离子电池的充电过程1724充电过程G2454G6980G6523G205818G12544G989G12468PCBG7507G5079G1345920G12544G3247G12468系G13491的G17731件设计2241系G13491G17731件设计的组成部分22411G1039程G521922412G7669G1946ADC子程G521924A22A23A24A25A26A27A28A29A22A23A30A31A32413G11429G8991电池子程G521925414快速充电子程G521926415G1314电G8981充电子程G521927416关G19393PWM子程G521928417G8991量子程G521928418G16855G14422电G2399子程G521929419G16855G14422电G8981子程G5219304110中G7041G7393G2165程G52193142系G13491G17731件G16855G1680932G12544G1128G12468结G1678234G2454G13783文G1049835G19480G5417A锂电池充电器原理G328236G19480G5417B锂电池充电器的PCBG750737G19480G5417C锂电池充电器程G5219设计38G14280G1688658A33A34A35A36A37A38A39A40A33A34A41A42A43第一章绪论11课题背景G19555着G1461G5699G6228G7427的G17817G10479发G4649，G1461G5699G2282G8503G1209G993可G5617G16770的速度G9195G17891到各G1022G20058G3507，电池作G1038一G20045G1268G13491产业，G8503经历着前所未有的变革，G10317别是在通G1461、动力及军用G20058G3507，对电池均有新的要G8726，G1038了满足市场的G19668G8726，智能电池应G17828而生。多年来，小型电子系G13491和设备一直G1209镍镉电池作G1038其标G1946电G9316配置。少G6980较大的设备如便携式计G12651机、高G2163率无G13459电设备等则靠密封型免维G6264铅酸蓄电池供电。其后由于环境问G20076及对电池要G8726的G6564高，新的电池G6228G7427得到发G4649产生了镍氢G708NIMHG709电池、可充电碱性电池和锂电池。G994之相适应的G7368复杂的电池充电和G1457G6264电G17347应G17828而生。最近几年电池G6228G7427的革新G1039要G1319G10628在锂电池G6228G7427上。锂电池的容量比目前大批量生产的任何可充电电池G708如NICD、NIMHG709电池的容量都大。虽然G1209G1319积作G1038度量尺度时锂电池的容量仅比同G7691G1319积大小的NIMH电池容量仅大1030，但是对于便携式设备G1319积大小并非其唯一重要指标，设备的轻重度同G7691很重要。当G1209单位重量计G12651储能多少时，锂电池的优势一下G1319G10628G1998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G8981行的铅酸密封蓄电池充电器大多采用G989段式G708恒G8981、恒G2399、浮充G709充电方法，充电时间长，效率G1314，对电池的G1457G6264差，容易发生过充电或者充电G993足的G10628象。过充电，可使蓄电池发热，电解液失G8712G727充电G993足，可使蓄电池内G2282学反应G993充分，并且长期充电G993足会导G14280电池容量下降。G1209上两种情况都会降G1314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G993能够G1038G993同G5049G14414所G2058G17908的电池或者是相同G5049G14414但是容量、电G2399G993同的电池充电的。用简易的充电器G1038上G17860G993同的电池充电，轻则G17908成电池充电G993当，重则会G18259成一系G2027的安全G1119G6937。用G5506G6523G2058器则可G1209解G1927上G17860问G20076。将G5506G6523G2058器用于电池充电的场G2524，G19512了智能G6523G2058的优势之G3818，G17836有降G1314成本、结构简单的G10317点。使用G5506G6523G2058器能够在很G11713的G2620期内开发G1998可应用于各种场G2524，G2163能完G2904的智能充电器，G2490G3818G5506G6523G2058器G1075能G10411轻G7506G4466G10628G1030行通G1461、G4466时G6980G6466G16772G5417和G11429G8991。A44A45A46A47A48A49A50A51A44A45A52A53A5412锂离子电池的工作原理锂离子电池目前有液G5589锂离子电池G708G47G44G37G709和G13870G2524G10301锂离子电池G708G51G47G44G37G709两G12879。其中，液G5589锂离子电池是指G1209G47IA55G4896G1849G2282G2524G10301G1038G8503G17139G7509的G1120G8437电池。G8503G7509采用锂离子G2282G2524G10301锂G19080G8699G2282G10301G708G47ICG82G50A56G709，锂镍G8699G2282G10301G708G47INIG50A56G709或锂G19204G8699G2282G10301G708G47IMG81A56G50A57G709，G17139G7509采用锂G713G11911G4630间G2282G2524G10301G47IG91CA58电解质G1038G9354解有锂G47IG51G41A58G15G47IG36G86G41A58等有机G9354G2070。G13870G2524G10301锂电池的G8503G7509和G17139G7509G994液G5589锂离子电池相同。G2494是原来的液G5589电解质G6925G1038G2559有锂G11428的G1969G14026G13870G2524G10301电解质G15而目前G1039要开发的G4613是这种。对于锂离子电池，使用G993同的G8975性G7460G7021，G2265G6336电池的G8503G7509G7460G7021，G17139G7509G7460G7021和电解质，电池的性能G10317性G1075会有所G2318别。G17139G7509G7460G7021中，目前常用的有G9978G11911和G11719G3708。其中，G11719G3708由于G1314成本、G1314电G2399G708可G1209得到高的电池电G2399G709、高容量和高可G5686复的优点，G15999广泛采用。G8503G7509G7460G7021中，G1039要G1209锂G18341G4658G8699G2282G10301G1038G1039。目前常用的有锂G19080G8699G2282G10301G708G47ICG82G50A56G709、锂镍G8699G2282G10301G708G47INIG50A56G709、锂G19204G8699G2282G10301G708G47IMG81A56G50A57G709G1209及G13447G12871G19204G8699G2282G10301。其中，锂G19080G8699G2282G10301具有电G2399高、G6930电G5191G12295、适G2524大电G8981G6930电、比能量高、循环性好的优点，并且生产G5049G14414简单、电G2282学性质G12295G4462，其作G1038锂离子电池的G8503G7509G7460G7021，适G2524锂离子的G4896G1849和G14085G1998。锂镍G8699G2282G10301G14270G6930电率G1314，G8821有环境G8757G7591，对电解液的要G8726较G1314G15G994锂G19080G8699G2282G10301相比，具有一G4462的优势。锂G19204G8699G2282G10301优点是G12295G4462性好，无G8757G7591，G5049作电G2399高、成本G1314廉。锂离子电池中的电解质使用有机G9354G2070作G1038锂离子的G1268G17767G1183质。锂离子电池对电解质G9354G2070的要G8726是G726高导电性、高分解电G2399、无G8757G7591、安全。锂离子电池G4466G19481上是一种锂离子G8999差电池，G8503G17139两G7509由两种锂离子G4896G1849G2282G2524G10301组成。充电时，LIA59从G8503G7509G14085G4896经过电解质G4896G1849G17139G7509，G17139G7509G3800于G4512锂G5589，G8503G7509G3800于G17151锂G5589，同时电子的G15929G1619电G14667从G3818电G17347供G13485到G11911G17139G7509，G1457G16789G17139G7509的电G14667G5191G15925，G6930电时则相反，LI从G17139G7509G14085G4896，经电解质G4896G1849G8503G7509G708这种循环G15999G5430象的G12228G1038G6683G7897式机G2058G709。在G8503常的充G6930电情况下，锂离子在G4630G10378结构的G11911G7460G7021和G4630G10378结构G8699G2282G10301G4630间G4896G1849G4896G1998，G3252G1038过G9205G18341G4658G8699G2282G10301LICOO2，LINIO2中G1314G14270G7071配G2524G10301多，G7242G7696G1319积小，在锂离子G4896G1849G14085G4896时，G7242G7696G14204G13972G6922G13565性小，结G7242结构G12295G4462，G3252此循环性能好，而且充G6930电过程中，G17139G7509G7460G7021G2282学结构基本G993变，G3252此从充G6930电反应的可G17882性G11487锂离子电池反应是一种理G5831的可G17882过程。A60A61A62A63A64A65A66A67A60A61A68A69A7013锂离子电池的电特性及充电方式131锂离子电池的充放电特性G7693G6466锂离子电池本G17535的结构G10317G5461，其充G6930电有着G994镍基G7460G7021G2282学电池完全G993同的充G6930电G10317性。G4439的充电过程一G14336采用恒G8981G17728恒G2399的充电G8181式。充电开G3999G1038恒G8981充电G19466段G726电池的电G2399较G1314，充电的电G8981基本G993变，充电的速率一G14336G10381CG11CG32充电电G8981G18电池容量G12，对于G2400G80G36G75的电池G2375G1038G2400G80G36的充电电G8981。G19555着充电的G13499G13505进行，电池的电G2399G17892G9188上升。当单G1319电池的电G2399升到G23G17G21G57时，充电器G12447G2375G17728G1849恒G2399充电G726恒G2399充电时，单G1319锂离子电池的充电电G2399必须严G7696G1457持在G23G17G21G57G240G80G57，若充电电G2399超过G23G17G24G57可能G17908成理离子电池的永久性破坏。此G19466段G1038恒G2399充电G19466段，充电电G8981下降较快，G9213度上升，最后当电G8981下降到某一范G3272，进G1849涓G8981充电G19466段G726涓G8981充电G1075G12228维G6264充电，在维G6264充电G10378G5589下，充电器G1209某一充电速率G13485电池G13499G13505G15929充电G14667，最后使电池G3800于充足G10378G5589。用这种方法，G12544一G1022小时可充G1849电池额G4462容量的80，两小时后电池G2375可充到额G4462容量。电池充电终止的检G8991方法是判G7041充电电G8981，当充电电G8981降到某一G4462值时终止充电。例如充电电G8981降80G80G36G11典型值G1038起G3999充电电G8981的10左右G12时终止充电，G1075可G1209在检G8991到电池电G2399达到G23G17G21G57时启动G4462时器，在一G4462的G5322时后终止充电。锂离子电池典型充电G10317性曲G13459如G328211所示G726A71A72A73A72A74A75A76A77A75A78A79A80A81A71锂离子电池的G6930电G10317性比较简单。一G14336，锂离子电池G6930电起G3999电G2399G1038G23G17G21G57，G6930电终止电G2399约G1038G21G17G24G57，G6930电终止时，电池电G2399G993得G1314于G21G17G21G57，否则将G17908成电池的永久性损坏。此G3818锂离子电池的G6930电电G8981G1075G993应过大，G6930电电G8981一G14336G993应超过3C，否则G1075会严重影响电池寿命G994使用质量。G19668强G16855的一点是，G993同的G6930电速率G6930G1998锂离子电池额G4462容量的程度G1075G993同，例如容量G1038G2400G80G36H的锂电池用0G17G21CG11100G80G36G12的G6930电速率G6930电时，可G6930G1998全部A82A83A84A85A86A87A88A89A82A83A90A91A92额G4462容量，而采用1CG11G2400G80G36G12的G6930电速率，G2494能G6930G1998额G4462容量的90。锂离子电池的一G1022G10317点是比较容易显示剩余电量，G3252G1038其G5049作电G2399G19555时间徐徐下降，而镍镉电池镍氢电池则G1457持一G4462的电G2399值，直到G6930电末期，电G2399才急速下降。G3252此锂离子电池G6930电过程，可通过对照G6930电G10317性曲G13459G3282，G8991量电池两端的电G2399来判G7041剩余电量。锂电池G6930电G10317性示G5859G3282如G32821G17G21所示G726A71A72A73A93A74A75A76A94A75A95A96A80A81A71132锂电池的充电方法锂离子电池的G7368高G2282学能量密度和G7368高电池电G2399使得我们可G1209G1038便携式应用G2058G17908G1998G7368小和G7368轻的电池，G7368轻和G7368小的电G9316对便携式应用而言常常是至关重要的。G993过，要G5831充分利用电池容量或G5322长电池寿命，必须G7509其严G7696地G6523G2058充电G2454G6980。在充电过程中，施加电G2399的G12946度对G6564高电池的效率和G5322长电池的寿命具有非常重要的作用。超过充电终止电G2399将导G14280过充电，这在G11713期内会增加电池的供电量，但长期来说则会导G14280电池失效并产生安全问G20076。充电终止电G2399每G6564高1，电池的初G3999容量G4613会增大约G24。这种显而易见的G11713期增益效应会对电池的充电G18G6930电G8437G6980产生严重的后果。过充电导G14280了充电G8437G6980的减少。G2490一方面，欠充电尽管G993会产生安全问G20076，但会显著减小电池的容量。G3252此，G5322长电池寿命的关G19202是G2524理G17885G6333充电方法及G2454G6980，如电G8981、电G2399和G9213度。目前锂电池充电G1039要有G3247种方法G726恒G8981充电、恒G2399充电、恒G8981恒G2399充电和G14045冲充电。1G17恒G8981充电G708CCG709恒G8981充电G7693G6466其充电电G8981的大小，又可分G1038浮充充电G708又G12228涓G8981充电G709、标G1946充电及快速充电。该方法在G6984G1022充电过程中采用恒G4462电G8981对电池进行充电，如G328213所示。A97A98A99A100A101A102A103A104A97A98A105A106A107这种方法G6817作简单，易于做到，G10317别适G2524对由多G1022电池G1030联的电池组进行充电。但由于锂电池的可接受电G8981能力是G19555着充电过程的进行而G17892G9188下降的，在充电后期，若充电电G8981仍然G993变，充电电G8981多用于电解质，产生大量气泡，这G993仅消G13803电能，而且容易G17908成G7509G7507上G8975性G10301质G14085落，影响锂电池的寿命。A108A109A110A111A112A113A114A115A116A117A118G21G17恒G2399充电法G708CG57G709在恒G2399充电法中，充电电G9316的电G2399在全部充电时间里G1457持恒G4462的G6980值，G19555着锂电池端电G2399的G17892G9188升高，电G8981G17892G9188减少。充电曲G13459如G32821G23所示。从G3282中可G1209G11487到，充电初期充电电G8981过大，这G7691对锂电池的寿命会G17908成很大影响。A108A109A110A119A120A121A114A115A116A117A1183恒G8981恒G2399充电法G708CCG18CG57G709在CCG18CG57充电器中，充电通过恒G4462电G8981开G3999。在恒G8981充电CCG2620期中，G1038了防止过度充电而G993G7041G11429视电池端电G2399。当电G2399达到设G4462的端电G2399时，电G17347切G6454G1038恒G4462电G2399充电，直到把电池充满G1038止。在CC充电期间，电池可G1209G1209较高电G8981强度进行充电，这期间电池G15999充电到大约8G24的容量。在CG57G2620期中，电池电G2399恒G4462，充电电G8981G17892G9188下降，在电G8981下降到G1314于电池的1G1810容量时，充电G2620期完成。恒G8981恒G2399充电曲G13459如G32821G24所示。A122A123A124A125A126A127A128A129A122A123A130A131A132A108A109A110A133A120A113A120A121A114A115A116A117A118G23G17G14045冲充电法G14045冲充电方式是比较新的一种充电方式。G14045冲充电法是从对电池的恒G8981充电开G3999的，大部分的能量在恒G8981充电过程中G15999G17728移到电池内部。当电池电G2399上升到充电终止电G2399G57CG57后，G14045冲充电法由恒G8981G17728G1849真G8503的G14045冲充电G19466段。在这一G19466段，G14045冲充电方式G1209G994恒G8981充电G19466段相同的电G8981值间歇性的对电池进行充电。每G8437充电时间G1038TC后G15然后关G19393充电回G17347。充电时由于充电电G8981的存在，电池电G2399将G13499G13505上并升超过充电终止电G2399G57CG57G727当充电回G17347G15999切G7041后，电池电G2399又会慢慢下降。电池电G2399G5686复到G57CG57时，重新打开充电回G17347，开G3999下一G1022G14045冲充电G2620期。在G14045冲充电电G8981的作用下，电池会G9188G9188充满，电池端G2399下降的速度G1075G9188G9188减慢，这一过程一直持G13505到电池电G2399G5686复到G57CG57的时间达到某G1022预设的值TG50G1038止，可G1209认G1038电池已接近充满，如G328216所示。A108A109A110A134A135A136A114A115A116A117A118在G1209上G3247种充电方法中，锂电池充电仍G1209恒G8981恒G2399的方法G1038G1039。虽然恒G8981恒G2399充电G19668要复杂得多的电G17347来G4466G10628，但由于其充电时间G11713，充电效率高，G3252此在锂离子电池充电中占G1039导地位。本文所设计的充电器G1075将采用这种充电方法。A122A123A124A125A126A127A128A129A122A123A130A131A13214课题意义G19555着G1461G5699G6228G7427的发G4649，锂电池得到了越来越广泛的应用。G1268G13491的充电器采用的充电G6228G7427G1039要是恒G8981、恒G2399或者是两者相结G2524，这些充电方法很容易G17908成锂电池过冲或者是充电G993足，并且充电时间很长，在一G4462程度上G13565G11713了蓄电池的使用寿命，G1038使用者G17908成一G4462的经济损失。G6466此，研G2058G1998一种快速充电且能G5322长锂电池电池寿命的充电器G4613成G1038一G20045很重要的任G2165。本G16850G20076的目的是设计G1998一款用单片机G6523G2058G4466G10628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。A137A138A139A140A141A142A143A144A137A138A145A146A147第二章系统的硬件设计21系统的整体设计方案本设计要G4466G10628对单G14422锂电池的快速充电，G19668要使用C80G241G41300单片机作G1038G6523G2058核心和G6523G2058桥梁G727下载端G2487采用JTG36GG2487G4466G10628程G5219的下载G994烧G5417G4466G10628G9188弱终止充电的快速G17728G6454器。本设计G4466G10628了充电电G2399、电G8981、电池G9213度的G4466时检G8991。在电池充电的最后G19466段，可G1209通过G11429G8991电G8981电G2399或两者的值来G1927G4462何时结束充电。同时，如果电池G9213度超过最大设G4462值，应G12447G2375结束充电。G4466G10628了对充电过程的智能G6523G2058。系G13491设计的G2454G6980如下所示A148电G2399G17767G1849G7268G571G24G57电池G2454G6980G726单G14422锂电池、额G4462电G2399G23G17G21G57、容量1G240G80G36G75G1314电G8981充电电G8981大小G72637G17G24G80G36快速充电电G8981大小G7261G240G80G36G1314电G8981充电最长时间G72690G80IG81快速充电最长时间G72690G80IG81电池额G3818充电时间G72630G80IG81电池G9213度下限G72610电池G9213度上限G726G240最G1314快速充电电G2399G7263G57系G13491G4466G10628框G3