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1、无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）一种锂电池充电器的设计摘要：本设计以单片机为控制核心 ，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。关键词：锂电池充电器；锂电池；充电1引言随着电子技术的不断发展，便携式设备不断涌现，丰富和方便了人们的生活。现在，移动电话、笔记本电脑、数码相机等便携式设备已经成为人们生活的一部分，而且 有着更为广阔的市场前景和发展空间。未来，肯定会有更多的便携式设备出现。便携式 设备的发展，对电池产业提出了更高的要求。低成本、高电压、高能量密度
2、、轻型化、 长寿命、高安全性的电池，特别是可重复使用的电池备受关注。锂离子电池锂离子电池 的研究是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等众多学科的交叉领域。锂离子电 池作为一种新型能源的典型代表，有十分明显的优势，同时有一些应用在国际上相当的 活跃。目前该领域的进展已经引起化学电源界和产业界的极大兴趣。在便携式应用中，一般采用容量相对不大的锂电池，以求在设备的便携性和工作时 间之间取得一定的平衡。同样，作为设备内部锂电池管理系统，其体积和重量也应该相 应缩小。由于电池容量不大，管理系统相对简单，一般不涉及复杂的均衡等问题。因此， 基于专用芯片在一定的外围电路配合下，能够实现锂电池的充放电管理
3、和保护功能，完 全满足便携式设备的需要，同时有效的控制了设备的体积和成本，深受设备厂家的欢迎。 锂离子电池因具有体积小、重量轻与能量密度高等优势，所以在GSM/CDMA和高端便捷式产品（如数字相机、摄像机等）中被广泛应用。目前一些大的厂家生产的充电管理芯片都具有以下特点：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。锂离子电池在使用中为避免过充电、 过放电对其早造成损坏，对保护电路要求较高。锂电池要求锂电池充电器具有严格与完 善的安全保护特性，此外它的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需
4、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。为此，应用新型的DS2770和DS2720芯片可以设计一个具有充电控制、 电源控制、 电量计数、电池保护、计时和对电池组能识别等功能的高性能电池充电器。它已经替代 目前市场上已有的锂电池保护/充电控制电路（充电器）。目前的芯片有能够单独使用， 实现充放电保护功能；也有带微机控制接口，能够与处理设备协同工作，实现复杂功能 的。基于专
5、用芯片的锂电池管理已成为便携式设备电池管理的最主要方式。充电管理芯 片是专为电池设计的理想产品，一个理想的充电管理芯片要使电池的三项关键指标容 量、寿命和安全性达到最优化。实现安全高效的充电控制己成为锂离子电池推广应用的目标。随着各种采用电池供电的便携式和可移动式设备的广泛应用，充电器的需求量也越来越大。人们对充电器的 要求是在电池充足电、但不过量充电而把电池充坏的前提下，尽量方便使用。同时电化 学的发展使得新型电池层出不穷，市场要求在充电器的设计上能够充分适应这些变化， 并利用最先进的电子技术降低成本和改善性能。2锂电池的概述2.1锂电池的特点 锂电池的特点有以下几种： 具有更高的重量能量比
6、、体积能量比； 电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； 自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性； 无记忆效应，锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电； 寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次； 可以快速充电。锂电池通常可以采用 0.51倍容量的电流充电，使充电时间缩短至 12小时； 可以随意并联使用； 由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电 池； 成本高，与其它可充电池相比，锂电池价格较贵； 容易显示剩余电量，因为锂离子电池的工作电压随时间徐徐下降；?高低温适应性强，可以在-
7、20C 60C的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45C 环境下使用；?高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到1530C充放电的能力，便于高强度的启动加速。2.2锂电池的结构根据锂电池的尺寸，重量和能量储存优点，锂离子可再充电电池正在被用于许多的 应用领域。锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构 的碳。常见的正极材料主要成分为 LiCoO2，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的 化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结 构的碳中析出，重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。下面是LiCoO2层状结构
8、示意图图1、圆柱形锂离子电池的构造图图2和矩形锂离子电池的构造图图3。图1 LiCoO 2层状结构示意图正极端正极压板正极图3矩形锂离子电池的构造图2.3锂电池充电器的种类锂电池充电器可分为密封铅酸电池（SLA）、镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH ）、锂电池（Li-lon）四种。密封铅酸电池（SLA），密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如 UPS和报警系统的备份电池。SLA电池以恒定电压进行充电的，辅以电流限制以避免在 充电过程的初期电池过热。只要电池单元电压不超过生产商的规定（典型值为2.2V），SLA 电池可以无限制地充电。镍镉电池（NiCd），NiCd电池目前市场
9、上使用得很普遍的。它的优点是相对便宜，易 于使用；缺点是自放电率比较高。典型的NiCd电池可以充电1000次。失效机理主要是极 性反转的。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需 要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到1.0V就必须停机。NiCd电池以恒定电流的方 式进行充电。镍氢电池（NiMH），NiMH在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机等等镍氢电池 是使用最广泛的。这种电池的容量比 NiCd的大，由于过充电会造成NiMH电池的失效， 在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和NiCd电池一样，极性反转时电池也会损坏。NiMH电池的自放电率大概
10、为20%/月。和NiCd电池一样，NiMH 电池也为恒定电流充电。锂电池（Li-lon）和本文中所述的其他电池相比，锂电池具有最高的能量、重量比和 能量、体积比。锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初 期电池过热。当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成 电池损坏，甚至爆炸。电池的安全充电现代的快速充电器（即电池可以在小于 3个小时的时间里充满电，通常是一个小时）需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精 确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。充电方法SLA电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流；NiCd电池和NiMH电池的充电方
11、法为恒定电流法， 且具有几个不同的停止充电的判断方法。最大充电电流最大充电电流与电池容量（C）有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如电池的容量为750mAh，充电电流为750mA，则充电电流为1C（1倍的电池容量）。若涓流充电时电流为C/40,则充电电 流即为电池容量除以40。过热电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。一些电能转化成了热 能，对电池起了加热的作用。当电池充满后，若继续充电，贝U所有的电能都将转化为电 池的热能。在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。 因此，在设计电池充
12、电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。2.4锂电池的工作原理2.4.1锂电池的充电在各种充电电池里，锂电池的充电属于很简单的了，比镍镉、镍氢电池要简单太多 了。锂电池的充电方式是限压横流方式。充电开始时，应先检测待充电电池的电压，如 果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1/10, 般选0.05C左右。电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电 池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为 4.20V。此时，充电的电流逐渐 下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越
13、大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电， 容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产 生泡沫，反而不满。充放电电流一般用 C作参照，C是对应电池容量数值。电池容量一 般用Ah、mAh表示，如M8的电池容量1200mAh，对应的C就是1200mA。0.2C就等 于240mA，下面图4是锂电池典型充电曲线。#IJ 20233.0J 3 电压(伏)400压童流电电电0时间（小时）图4锂电池典型充电曲线2.4.2锂电池的放电对电池来说，正常使用就是放电。锂电池放电只需要注意很少的几点：第一，放电 电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永
14、久性的损害。在手机上, 这个倒是没有问题的，可以不考虑。第二，绝对不能过放电。锂电池最怕过放电，一旦 放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废。好在手机电池内部都已经装了保护电路，电 压还没低到损坏电池的程度，保护电路就会起作用，停止放电，下面图5是一般锂电池的典型放电曲线。O2.50123456CAPACITY (Ah|5 O3 玄图5锂电池的典型放电曲线从典型放电曲线图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。 所以，一般情况下电池大负荷工作后，减少负荷会出现电压回升现象，就是所说的“回 电”现象。下面图6就是放电曲线图在放电过程中停了一下，出现了“回电”的现象。测试2Q0
15、4QQ600呂如1000测试容量mah毫安时）sd- 3214 61.5.3.3.5.3.3.3.5.3. 电压3伏特】8 7 6-22N图6回电现象锂电池的工作反应方程式为 LiM yO2+6C Li i-XM y0z+LixC6（M为金属元素）下面的 图7是以钻金属举例的反应示意图。正极负极图7锂电池反应示意图化学反应原理虽然很简单，然而在实际的工业生产中，需要考虑的实际问题要多得 多。正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性，负极的材料需要在分子结构级去设 计以容纳更多的锂离子。填充在正负极之间的电解液，除了保持稳定，还需要具有良好 导电性，减小电池内阻。虽然锂离子电池很少有镍镉电池的记忆效应（镍镉电池记忆效 应的原理是结晶化，在锂电池中几乎不会产生这种反应），但是锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降（其原因是复杂而多样的）。问题主要是正负极材料本身的变化，从 分子层面来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞；从化学角度来看， 是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物；物理上还会出现正极材料 逐渐剥落等情况；总而言之都降低了电池中可以自由在充放电过程中移动的锂离子数 目。过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，
