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1、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
2、，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 1
3、C 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：了解并掌握锂离子电池的各种充电方式 )1(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。QI电池组交流输入图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
4、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
5、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放电 电路充电器结构框图充电率选择稳压电源 (线性电源或 开关电源)电池数设定充电电池组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lm78xx系列和 负电压输出的lm79xx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
6、装。用 lm7 8/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。Zofut+ 12VQ Cj Q CjHiVOUT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
7、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
8、度范围：-40 C to +85 C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。匡ZVE6N137图3-1 6N137光耦合器6N137光耦合器的真值表6N137光耦合器的真值表输入使能输出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH3.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。MAX
9、1898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pro tel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
10、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， 20002 MAXIM :Cost-Saving Multichemistry Batter-Charger System， 2002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.钟伟雄，基于AT89C51的智能充电器的设计J.信息技术，2009，5：
11、 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
12、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2018.12-2018.1 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；3.224.43-4 周）分析，仿真计算，确定最终实现方案；4.5 一42557周）绘制原理图及制作PCB板；4.265.23811 周）电路焊接调试，改进及测试；5.24一6.1812一15周）撰写论文,准备答辩。九、主要参考资料1 康华光. 电子技术基础模拟部分, 高等教育出版社, 2005, 第五版2 刘树棠 数字信号处理，西安交通大学出版社，2002，第一版3 何桥单片机原理及应用，中国铁道出版社，2006
