锂电池智能充电器.docx
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锂电池智能充电器
第1章绪论
电池的发展最早可以追溯到200年前。
远在180年意大利科学家伏打研制成了伏打电池，这是世界上第一个能够实际应用的电池。
法国的科学家普兰特发明了铅酸蓄电池，这是世界上第一个可充电的电池。
其后由于科学技术的进步和人们生活水平的提高。
推动原有各种化学电源的改进和新型化学电能的产生。
50年代碱性锌-锰于电池问世，60年代燃料电池研制成功，70年代各种锂电池开发成功。
80年代氢-镍蓄电池问世以及90年代的锂离子电池。
Li+电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，该产品具有良好的可逆性，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富（且可再生使用）及造价低廉等优点而得到了广泛的使用。
是社会生产经营活动中不可缺少的产品。
但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。
影响Li+电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长Li+电池的使用寿命。
研究发现：
电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。
也就是说，绝大多数的Li+电池不是用坏的，而是“充坏”的。
由此可见，一个好的充电器对Li+电池的使用寿命具有举足轻重的作用。
而且，传统充电器的充电策略比较单一，只能进行简单的恒压或者恒流充电，以致充电时间很长，充电效率降低。
另外，充电即将结束时，电池发热量很大，从而造成电池极化，影响电池寿命。
人们一直非常重视提高锂离子电池的容量，以期以物理尺寸最小的电池实现最长的产品工作间。
但是在有些应用中，较长的电池寿命、较多的充电次数或较安全的电池比电池容量更重要。
尽管电池充电器对电池的深度放电、放电电流和电池温度不加以控制，但是所有这些因素对电池寿命都有影响，很多充电器具有能够延长电池寿命的功能，而且有时可以极大地延长电池寿命。
电池充电器延长电池寿命的作用主要由充电器的浮动电压和充电终止方法决定。
针对上述所述问题，设计了一种智能充电器，尽量延长Li+电池的使用寿命。
第2章方案的选择和实现
2.1方案选择
2.1.1电源模块
（1）方案一普通电源：
市电经过电源变压器将高压交流电转化成低压交流电，再通过整流滤波，将交流电转化为直流电，滤除整流输出的剩余交流成分，最后输出稳定的直流电压。
它具有输出电压稳定、波纹小等优点，但是电压范围小，效率低。
（2）方案二开关电源：
市电进入电源，首先要经过扼流圈和电容，滤除高频杂波和同相干扰信号。
然后再经过电感线圈和电容，进一步滤除高频杂波接下来再经过由4个二极管组成的全桥电路整流（也有半桥等其他电路），和大容量的滤波电容滤波后，电流才由高压交流电转换为高压直流电。
经过了交直转换后，电流就进入了整个电源最核心的部分：
开关电路。
开关电路主要由两个开关管组成，通过它们的轮流导通和截止，便将直流电转换为高频率的脉动直流电。
接下来，再送到高频开关变压器上进行降压。
经过高频开关变压器降压后的脉动电压，同样要使用二极管和滤波电容进行整流和滤波，此外还会有1、2个电感线圈与滤波电容一起滤除高频交流成分。
最后成为设备所需要的较为纯净的低压直流电。
它是近代普遍推广的稳压电源，具有效率高、电压范围宽，输出电压相对稳定等特点。
所以，本设计选取方案二。
2.1.2充电方法
Li+电池恒压充电只是充电中的一个阶段。
当电池用完时，电池的二端电压就不到4.2v，此时充电电压也不足4.2v。
电池很快升到4.2v后，很长一段时间一直保持在4.2v进行恒压充电。
当电快充满时，自动从恒压转到恒流充电。
电池电压缓慢上升，大约到5v左右，电池完全充满电。
充电器转到涓流充电，涓流充电不会损电池，可以长时间充。
当刚去下电池，电压为5v，一开始使用电池，电压迅速降到4.2v的工作电压，一直到电池接近用完，电压才开始继续下降。
Li+电池恒流充电，它包括输入导线段、输出导线段及电路容置腔；输入导线段的一端设有用于连接直流电源输出端的输入插口；输出导线段的一端设有用于与充电电池电气连接的输出插口；输入导线段及输出导线段的另一端穿入所述电路容置腔中，它们的外侧分别与所述电路容置腔的壳体固接；电路容置腔内装设有恒流源电路，该恒流源电路的输入端与输入导线段的另一端连接，其输出端与输出导线段的另一端连接。
为其所使用的Li+电池进行恒流充电。
（1）方案一恒流充电法
恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2-1所示。
控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚。
（2）方案二恒压充电法
充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。
与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。
用恒定电压快速充电，如图2-2所示。
由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。
这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。
但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。
鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。
图2-1恒流充电曲线
图2-2恒压充电曲线
（3）方案三变电流间歇充电法
这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图2-3所示。
其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。
充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。
充电后期采用定电压充电
段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。
通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。
图2-3变电流间歇充电曲线
（4）方案四 变电压间歇充电法
在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图2-4所示。
与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。
图2-4变电压间歇充电曲线
（5）方案五变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法
脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：
1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的。
2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。
变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法曲线如图2-5所示采用了一种脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。
所以选择方案五。
图2-5波浪式间歇正负零脉冲快速充电
2.2本设计工作原理
采样电路
电源变换电路
PWM控制器
电流电感储能电路
单片机控制核心
LCD显示
充电电路
放电电路
上位机
电池组
图2-6工作原理流程图
智能充电器系统工作原理如图2-6所示。
主要包括电源变换电路、PWM控制器、电流电感储能电路、充电电路、电池组、放电电路、采样电路、上位机等，形成了一个闭环系统。
电源变换电路主要获得正负电源的特殊方法，单电源供电回路。
本设计提出一种具有关闭周期调节功能的PWM控制器该关闭周期调节功能的达成需保持充电电流为一固定常数且须调节PWM控制器的锯齿信号产生器的放电电流，其调节方式是递减该放电电流以延长切换周期。
由电压回授回路所导引出的回授电压是作为一个指针，放电电流即是以此指针调节成回授电压的函数，另外，一临界电压是定义在轻负载情况下的位准，回授电压与临界电压的差异会被转换成电流，即在被放大信号后转换成该放电电流。
一限制器会箝制最大放电电流以决定在正常负载与最大负载下的切换周期。
一旦回授电压递减至接近临界电压时，放电电流会递减而切换周期会持续延长，而当回授电压低于临界电压时，最小放电电流会决定最大切换周期。
电感储能电路是利用电感线圈将电网中的能量以电磁能的形式存储起来,在需要时将电磁能返送回电网或作其他用途的电路。
充电电路是可以对单节锂离子可充电电池进行恒流/恒压。
充电的充电器电路，该器件内部包括功率晶体管,应用时不需要外部的电流。
检测电阻和阻流二极管（阻止电流逆向流动，方法是只让电流以一个方向流动，而当有电流尝试以反方向流动时便会将电路断开）。
锂离子电池无一例外地都加有过充放电保护电路。
另外，当对一组锂离子电池充放电时，考虑到各个单体电池的不一致性，可采取均衡措施来确保安全性和稳定性。
即本设计采用了电池组。
采样电路中利用CPU的A/D转换器，可以同时读入多路数据，而且没有使用特殊元器件，成本相对较低。
目前，国内电池化成检测设备上位机软件操作复杂、缺少智能分选功能。
针对上述问题，本论文采用C语言设计并实现了基于自主设计的电池检测设备上位机软件，并对电池分选方法进行了研究。
第3章智能充电器的硬件设置
本设计包含几大部分：
1.电源电路它通过改变开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，实现稳压目的。
2.延时与报警电路为了防止单片机工作时使电路中的器件损坏。
3.充放电与维护电路由软件控制检测电池内阻，并判断其在电池的哪个阶段。
4.数据采样与转换电路，数据采样是利用ADC0809模数转换芯片，对所需的四个点IN_0、IN_1、IN_2、IN_3的电压值采样，对采样值分别经过26、27、28和1端口输入ADC0809进行A/D转换。
5.温度传感电路为电池充电时要注意冬夏的温度差异，按环境温度调节充电的充电电压，使蓄电池不被损坏，并且能充满电。
所以，我们专门设计了一个数字温度传感器电路。
6.显示电路，为了解决端口冲突，加入74HC573锁存器。
另外的读写控制、使能端及数据、命令选择端也要单独分配单片机I/O端口控制。
7.上位机通信模块，该电路主要用于单片机与外部通信，输出电池的充电及放电参数，与外部电路通讯，在屏幕上显示出电池的充电与其放电过程曲线图。
上述所有的电路设计都使用Protelse99。
3.1电源电路
本设计中，脉宽调制器（PWM）UC3842是开关电源的核心。
它能产生频率固定而占空比可调的控制电压,通过改变开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，实现稳压目的。
例如由于某种原因V0升高时，就改变控制电压占空比，使斩波后的电压平均值下降，导致V0下降，使V0趋于稳定，反之亦然。
UC3842的工作温度是0︿+70℃，最高输人电压为30V，最大输出电流为1A，能驱动双极型功率管或VMOS管。
（1）UC3842的结构
UC3842采用DIP—8封装，管脚排列如图3-1所示。
各脚功能如下：
①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/（RT×CT）；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。
图3-1UC3842管脚排列
（2）主要参数的确定
由UC3842构成的开关电源属于单端反激变换器式。
其工作频率尽管可达到500KHZ，但受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制，通常将f0设计在几十千赫以下。
使VMOS管时，f0约等于40KHz。
用双极型开关功率管时，用双极型开关功率管时，f0约等于20KHz为宜，当电路起振后，用示波器从UC3842的第4脚可观察到幅度约为1.5V，周期为25us的锯齿波。
①计算脉冲信号最大占空比DMAX
当电网电压在220V土20%范围内变化时，对应于176︿264V。
经全波整流后的直流输人电压VImin≈240V，VImix≈360V。
单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e≈170v。
线圈漏感造成的尖峰电压VL≈100V，因为VImix+e+VL≈630V。
故开关功率管应能承受630v以上的高压。
计算脉冲信号最大占空比：
（3-1）
②计算初级线圈的电感量L1：
高频变压器初级线圈的电感量，由下式确定：
（3-2）
将开关电源效率
=70%，VImin=240V，
=41.5%，
=35W，
=40
一并代人式，则L1=2.48Mh。
设满载时峰值电流为IP，在进行短路保护时的过载电流为I5，有公式：
（3-3）
不难求出IP=1.0A；IS=1.3
在初级线圈储存的电能为：
（3-4）
③确定初级线圈的匝数N1：
在初级线圈的安匝数，与所储存的电能甲之间存在下述关系式：
（3-5）
确定自馈线圈的匝数N2，次级线圈的匝数N3、N4、N5：
利用上式可以计算出N2、N3、N4、和N5
由上面的公式可以计算出；
表3-1UC3842参数说明
名称
匝数
股数
输出
N1
55
单股
N2
7
单股
N3
8
双股
22v
N4
6
五股
16v
N5
4
单股
10v
图3-2UC3842的开关电源电路
由UC3842构成的开关电源电路如图3-2所示。
其基本工作原理是UC3842主要用于高频中小容量开关电源，用它构成的传统离线式反激变换器电路在驱动隔离输出的单端开关时，通常将误差比较器的反向输入端通过反馈绕组经电阻分压得到的信号与内部2．5V基准进行比较，误差比较器的输出端与反向输入端接成PI补偿网络，误差比较器的输出端与电流采样电压进行比较，从而控制PWM序列的占空比，达到电路稳定的目的。
交流输入电压经过整流滤波电路变成直流电压V1，再被开关功率管斩波和高频变压器降压，得到高频矩形波电压最后经过整流、滤波获得所需要的直流输出电压。
图中开关功率管选用IRFPG50型VMOS管。
刚开机时，220V交流电压首先经过C1和L1滤掉射频干扰，再经过桥式整流和滤波，产生约+300V的直流电压，然后经R2降压后向UC3842提供16V的启动电压。
进人正常状态后，自馈线圈N1上的高频电压经过D1和C1整流滤波，就作为UC3842的正常工作电压。
R4是斜坡补偿电阻。
取R15=10u、C11=4700PF时，开关频率50
1.8/R15C1550KHZ。
R6是VMOS管的栅极限流电阻。
由D3、C5、R2构成吸收回路，用以吸收尖峰电压。
D2，D3选用快恢复二极管。
D4，D7为输出级的整流管，采用肖特基二极管，以满足高频、大电流整流之需要。
表3-2UC3842原理图参数说明
参数
作用
C1
滤掉射频干扰
L1
滤掉射频干扰
T
高频变压器
C2
滤波电容
R4
斜坡补偿电阻
R2
过流检测电阻
R6
栅极限流电阻
C4
消噪电容
3.2延时与报警电路
当单片机开始工作的一瞬间，各端口均输出高电平，此时充放电路中的场效应管Q2和Q4同时导通，此电路的电流将瞬间很大，容易使电路中的器件损坏，故添加如图3-3所示延时电路，PWIN1由单片机的P1.5端口控制，当其输出为高电平时，Q9导通。
PWIN2由单片机的P1.6端口控制，当其输出为高电平时，Q10导通。
PWIN3由单片机的P1.7端口控制，当其输出为高电平时，Q12导通。
图3-3延时与报警电路
3.3充放电与维护电路
图3-4充放电与维护电路
如图3-4所示，单片机AT89S52的P1.5，P1.6，P1.7口经过延时电路后控制充电电池的3个阶段。
电路上电后，由软件控制检测电池内阻，并判断其在电池的哪个阶段。
确定后，例如在维护阶段，通过控制P3_4，来调节R26的变化，来调节TL431电流的变化。
通过光藕合器来反馈到芯片UC3842，调节后，来控制输出的变化，由电压器来调节输出电压的变化，以此来调节电压的变化。
从而达到三个阶段的转换。
3.4数据采样与转换电路
ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
主要特性：
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs
4）单个＋5V电源供电
5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度
7）低功耗，约15mw。
内部结构如图3-5所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A/D转换启动信号，输入，高电平有效。
EOC：
A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
图3-5ADC0809管脚图
数据采样与转换电路的工作过程如图3-6所示：
由于ADC0809的时钟频率不高于640KHZ，单片机的时钟频率为22.118MHZ，所以将单片机的时钟频率经74LS293八分频后再提供给ADC0809使用，由74LS293的8脚输出至ADC0809的10脚CLOCK。
数据采样是利用ADC0809模数转换芯片，对所需的四个点IN_0、IN_1、IN_2、IN_3的电压值采样，对采样值分别经过26、27、28和1端口输入ADC0809进行A/D转换。
由于ADC0809采样值不能超过5V，所以经过了电阻分压。
首先由单片机P2.6和P2.7输入2位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通4路模拟输入IN-0、IN-1、IN-2和IN-3之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就由D0到D7输出给单片机了。
图3-6数据采样与转换电路
3.5温度传感电路
蓄电池的容量与温度成正相关的方向，温度每上升1度，容量就上升原来的0.8%.Li+电池在大于40度，再升高10度，电池的寿命就降低一倍.寿命中止的主要原因:
电解质干涸，热失控，和内部短路等等。
因此在为电池充电时要注意冬夏的温度差异，按环境温度调节充电的充电电压，使蓄电池不被损坏，并且能充满电。
所以，我们专门设计了一个数字温度传感器电路。
图3-7温度传感器电路
DS18B20的功能是利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度；测量范围为－55℃～＋99℃，精度为±0.5℃；用4位数码管进行显示实际温度值显示；手持端通过红外发射管发射测温信号；测温端通过红外发射管发送到手持端；手持端可以随时查看指定待测物体的温度值。
温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理，它可以将感应到的温度数值直接传递给单片机，单片机接到信息后通过内部程序选择充电参数值。
3.6显示电路
显示电路比较简单，用单片机编程控制LCD1602的显示，使LCD1602按照我们的需要显示，编写程序时需要严格按照其工作时序编写。
其外围电路电路连接如图3-8所示。
D0~D7端口接单片机P0口，由于P0端口用于控制AD0809，为了解决端口冲突，加入74HC573锁存器。
另外的读写控制、使能端及数据、命令选择端也要单独分配单片机I/O端口控制。
图3-8显示电路
3.7上位机通信模块
电路主要用于单片机与外部通信，输出电池的充电及放电参数，与外部电路通讯，在屏幕上显示出电池的充电与放电过程曲线。
这一过程主要由上位机程序控制，MAX232的连接电路如图3-9所示。
上位机
图3-9上位机通信电路
第4章单片机软件设计
4.1软件功能
该软件的目的是控制电池充电及维护终点及状态显示。
当电池放入该智能充电器时，我们可以人为选择充电状态与维护状态，然后读入温度传感器环境温度，决定电池充电或维护状态的最终电压。
再由程序控制充电及维护I/O口电平的高低，选择是对电池充电还是维护。
在由ADC0809采样的电压判断电池维护或充电的终止时刻，并由内部程序计算出电池充电电流、充电电压、电池内阻等参数输出给LCD1602，由其显示电池状态。
启动A/D,检测没有电池的时候待机电压不稳定的时候关闭。
电压检测法是指检测电池充电达到指定电压即为充满，但通常电池达到80%的容量时就会显示已经达到指定的充电电压，为此在后面的涓流充电时通常用定时器进行控制。
另一种电压检测法是检测充电电池的最大电压（峰值电压）。
4.2流程图
图4-1软件设计流程图
第5章总结
通过这次毕业设计，提高我运用所学的专业知识分析解决实际问题的能力、对中外文献资料的检索与阅读能力、逻辑思维与形象思维相结合的文字和口头表达能力以及撰写论文的能力。
同时也深刻地认识到了自己知识的匮乏，但更重要的是学到了一些在课堂上发现不到的知识，这次毕业设计给我一次理论联系实践的机会，虽然在设计的过程，遇到很多问题，但在小组共同努力下最终顺利解决。
本文设计的充电器主要是面向锂电池进行充电的智能充电器。
在设计上选择了简洁、高效的硬件，设计稳定可靠的软件，详细介绍了系统的硬件组成，包括：
电源电路，延时与报警电路，充放电与维护电路，数据采样与转换电路，温度传感电路，上位机通信模块，外界条件影响往往由硬件设计解决，有些要加硬件补偿电路。
并对本充电器的核心器件——UC3842芯片进行了较详细的介绍。
由于知识的限制未能加上有关软件与硬件补偿方法，还有其它地方比如说硬件设计时抗干扰措施，因知识有限也没能够做出相关介绍，但是总的来说还是挺不错的，本次设计虽存在不足的地方，但也是在我们小组尽我们最大努力后的成果，所以还是很有成就感。
由于设计的时间比较紧张且软件工作准备的不是很充分，因此，没有制作电路板。
在设计时由于考虑不够全面，使用锁存器74HC573使用不当，导致LCD1602的数据不能回送而不能使用。
通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
致谢
三年的大学生活已经快要结束。
在本次的设计中使我掌握了不少的专业知识，锻炼了自己。
毕业设计可以说是三年来的学习的总结和体现。
在论文即将完
成之际，我想向曾经给我帮助和支持的人表示衷心的感谢。
作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的
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