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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）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，完成了单片机系统的设计，包
2、括系统电压、电流、温度的采样及功能按键等。软件方面，采用模块化的程序设计，介绍了模块划分和各模块的功能，实现的具体算法，给出了流程图，并根据系统工作需求进行了低功耗和软件抗干扰设计，确保了系统运行的可靠稳定性。本设计提高了充电器智能化水平，更精确的实现充电过程控制，保护电池，延长电池寿命。关键词：ADC（模数转换）；PWM（脉宽调制）；C8051F300 单片机The design of lithium battery chargerAbstractLithium battery is being widely used in the suitable selection for portab
3、le application for their high energy density and long life. Charging management is the essential part in battery management. Safe, reliable, fast and high efficient charger guarantees good performance and application of the battery.The structure, performance and charging method of Lithium battery is
4、 studied in this thesis. And different impacts on the performance of battery via different charging ways and process are analyzed in detail, based on which, an intelligent charger for Lithium battery is designed. The charger can charge all kinds of lithium batteries quickly and safely. Exploiting th
5、e charger of lithium batteries this way has the advantage of low cost and easy to upgrade in programming, which has a vast market prospect.In hardware，the thesis achieves the hardware detail circuit including the MCU system，voltage，current，temperature sampling circuit and key-press. In software, the
6、 design adopts modular procedures，which analysis the plotting and function of each module，and the specific way of realization，are introduced. According to the work demands of the system，low power consumption and software anti-interference are designed，which in sure the safety and reliability of the
7、system. The design can improves the intellectualization level of the battery charger, realize the control to the charge process more precisely, and lengthens the battery life.Key Words: ADC; PWM; C8051F300目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 课题背景11.2 锂离子电池的工作原理21.3 锂离子电池的电特性及充电方式31.3.1 锂离子电池的充放电特性31.3.2 锂电池
8、的充电方法41.4 课题意义7第二章 系统的硬件设计82.1 系统的整体设计方案82.2 充电电路的设计与实现102.2.1 单片机选型102.2.2 电源模块的设计112.2.3 单片机外围电路的设计122.2.4 快速转换器的设计132.2.5 快速调节器操作142.2.6 选择快速转换器的电感152.2.7 JTAG口设计152.3 锂离子电池的充电过程172.4 充电过程参数控制18第三章 PCB板布线20第四章 系统的软件设计224.1 系统软件设计的组成部分224.1.1 主程序224.1.2 校准ADC子程序244.1.3 监测电池子程序254.1.4 快速充电子程序264.1.
9、5 低电流充电子程序274.1.6 关闭PWM子程序284.1.7 测量子程序284.1.8 调节电压子程序294.1.9 调节电流子程序304.1.10 中断服务程序314.2 系统软件调试32第五章 结论34参 考 文 献35附录A 锂电池充电器原理图36附录B 锂电池充电器的PCB板37附录C 锂电池充电器程序设计38致 谢58第一章 绪 论1.1 课题背景随着信息技术的迅猛发展，信息化正以不可思议的速度渗透到各个领域，电池作为一项传统产业，正经历着前所未有的变革，特别是在通信、动力及军用领域，对电池均有新的要求，为了满足市场的需求，智能电池应运而生。多年来，小型电子系统和设备一直以镍镉
10、电池作为其标准电源配置。少数较大的设备如便携式计算机、高功率无线电设备等则靠密封型免维护铅酸蓄电池供电。其后由于环境问题及对电池要求的提高，新的电池技术得到发展产生了镍氢（NiMH）电池、可充电碱性电池和锂电池。与之相适应的更复杂的电池充电和保护电路应运而生。最近几年电池技术的革新主要体现在锂电池技术上。锂电池的容量比目前大批量生产的任何可充电电池（如NiCd、NiMH）电池的容量都大。虽然以体积作为度量尺度时锂电池的容量仅比同样体积大小的NiMH电池容量仅大10%-30%，但是对于便携式设备体积大小并非其唯一重要指标，设备的轻重度同样很重要。当以单位重量计算储能多少时，锂电池的优势一下体现出
11、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。目前流行的铅酸密封蓄电池充电器大多采用三段式（恒流、恒压、浮充）充电方法，充电时间长，效率低，对电池的保护差，容易发生过充电或者充电不足的现象。过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；充电不足，可使蓄电池内化学反应不充分，并且长期充电不足会导致电池容量下降。以上两种情况都会降低蓄电池的使用寿命。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，简易充电器是不能够为不同工艺所制造的电池或者是相同工艺但是容量、电压不同的电池充电的。用简易的充电器为上述不同的电池充电，轻则造成电池充电不
12、当，重则会酿成一系列的安全事故。用微控制器则可以解决上述问题。将微控制器用于电池充电的场合，除了智能控制的优势之外，还有降低成本、结构简单的特点。使用微控制器能够在很短的周期内开发出可应用于各种场合，功能完善的智能充电器，另外微控制器也能狗轻松实现串行通信、实时数据记录和监测。 1.2 锂离子电池的工作原理锂离子电池目前有液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLIB）两类。其中，液态锂离子电池是指以Li嵌入化合物为正负极的二次电池。正极采用锂离子化合物锂钴氧化物（LiCoO2），锂镍氧化物（LiNiO2）或锂锰氧化物（LiMn2O4），负极采用锂碳层间化合物LixC6电解质为溶解有锂L
13、iPF6,LiAsF6等有机溶剂。聚合物锂电池的正极和负极与液态锂离子电池相同。只是原来的液态电解质改为含有锂盐的凝胶聚合物电解质,而目前主要开发的就是这种。对于锂离子电池，使用不同的活性材料，包括电池的正极材料，负极材料和电解质，电池的性能特性也会有所区别。负极材料中，目前常用的有焦碳和石墨。其中，石墨由于低成本、低电压（可以得到高的电池电压）、高容量和高可恢复的优点，被广泛采用。正极材料中，主要以锂金属氧化物为主。目前常用的有锂钴氧化物（LiCoO2）、锂镍氧化物（LiNiO2）、锂锰氧化物（LiMn2O4）以及纳米锰氧化物。其中，锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、
14、循环性好的优点，并且生产工艺简单、电化学性质稳定，其作为锂离子电池的正极材料，适合锂离子的嵌入和脱出。锂镍氧化物自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低,与锂钴氧化物相比，具有一定的优势。锂锰氧化物优点是稳定性好，无污染，工作电压高、成本低廉。锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质。锂离子电池对电解质溶剂的要求是：高导电性、高分解电压、无污染、安全。锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负两极由两种锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡，放电时则相反，Li从负
15、极脱嵌，经电解质嵌入正极（这种循环被形象的称为摇椅式机制）。在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物层间嵌入嵌出，因为过渡金属氧化物LiCoO2，LiNiO2中低自旋配合物多，晶格体积小，在锂离子嵌入脱嵌时，晶格膨胀收缩性小，结晶结构稳定，因此循环性能好，而且充放电过程中，负极材料化学结构基本不变，因此从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆过程。1.3 锂离子电池的电特性及充电方式1.3.1 锂离子电池的充放电特性根据锂离子电池本身的结构特征，其充放电有着与镍基材料化学电池完全不同的充放电特性。它的充电过程一般采用恒流转恒压的充电模式。充电开始为恒流充电阶段：电池的电压较低，充电的电流基本不变，充电的速率一般为1C(C=充电电流/电池容量)，对于500mAh的电池即为500mA的充电电流。随着充电的继续进行，电池的电压逐渐上升。当单体电池的电压升到4.2V时，充电器立即转入恒压充电：恒压充电时，单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.2 V50mV，若充电电压超过4.5V可能造成理离子电池的永久性破坏。此阶段为恒压充电阶段，充电电流下降较快，温度上升，最后当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段
