锂电池充放电系统的设计毕业设计1 精品.docx

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锂电池充放电系统的设计毕业设计1精品

题目：

锂电池充放电系统的设计

所在院系：

信息与通信技术系专业：

电气工程及其自动化

摘要

随着电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携化和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。

目前为止，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。

由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器，但这在实际使用中有很多不便。

本设计是一种基于单片机的锂离子电池充电器，在设计上，选择了简洁、高效的硬件，设计稳定可靠的软件，说明了系统的硬件组成，包括单片机电路、充电控制电路、电压转换及光耦隔离电路，并对充电器的核心器件MAX1898充电芯片、AT89C2051单片机进行了较详细的介绍。

阐述了系统的软硬件设计。

以C语言为开发工具，进行了设计和编码。

保证了系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。

该充电器具有检测锂离子电池的状态；自动切换充电模式以满足充电电池的充电需求；充电器短路保护功能；充电状态显示的功能。

在生活中更好的维护了充电电池，使电池更好被运用到生活中。

关键词：

单片机、MAX1898、AT89C51

Abstract

Electronictechnology'sfastdevelopmentcausesvariouselectronicproductsdevelopstowardportableandthesmalllightweightdirection,Italsocausesthemoreelectrificationproductstousebasedonbattery'spowersupplysystem.Atpresent,themanyuse'sbatterieshavethenickelcadmium,thenickelhydrogen,theleadaccumulatorandthelithiumbattery.Theirrespectivecharacteristichaddecidedtheywillcoexistinalongtimedevelop.Becausethedifferenttypebattery'schargecharacteristicisdifferent,usuallytodifferenttype,evendifferentvoltage,capacityrankbatteryusedifferentbatterycharger,butthishasmanyinconveniencesintheactualuse.

ThistopicdesignisonekindlithiumionbatterychargerwhichisbasedonSingleChip,inthedesign,ithaschosensuccinctly,thehighlyeffectivehardware,thedesignstablereliablesoftware,explainedindetailsystem'shardwarecomposition,includingthemonolithicintegratedcircuitelectriccircuit,thechargecontrolelectriccircuit,thevoltagetransformationandthelightpairisolatingcircuit,andtothisbatterycharger'scorecomponent-MAX1898chargechip,at89C2051monolithicintegratedcircuithascarriedonthedetailedintroduction.Elaboratedsystem'ssoftwareandhardwaredesign.TaketheClanguageasthedevelopmentkit,hascarriedonthedetaileddesignandthecode.Hasrealizedsystem'sreliability,thestability,thesecurityandtheefficiency.

Theintelligencebatterychargerhastheexaminationlithiumionbattery'scondition;Theautomaticcutoverchargepatternmeetswhenrechargeablebattery'schargeneeds;Batterychargerhasshortcircuitprotectionfunction;Thechargeconditiondemonstration'sfunction.Thebatterychargerhasmadethebettermaintenancerechargeablebatteryinthelife，andlengthenedtherechargeablebattery’sservicelife.

Keywords:

SCM,STC89c51,MAX1898

引言

电池是通过能量转换获得电能的一种器件，电池可以分为一次电池与二次电池，一次电池是一次性的，二次电池可以反复循环使用。

随着便携式设备的发展，不管从节约资源上还是从环保上考虑，二次电池的应用会越来越广泛。

锂电池就是二次电池的一种。

随着社会的快速发展，电子产品小型化、便携化也使得充电电池越来越重要，锂离子电池因为具有较高的比能量，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长，有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。

基于这些特性，所以锂电池得到了迅速的发展和广泛的应用。

锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。

本论文从锂电池技术特性、充电过程、充电器电路结构、充电器典型电路和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。

第1章绪论

1.1课题研究的背景

电池是一种将物质的化学能通过电化学氧化还原反应直接转化成电能的一种装置。

电池可以分为一次电池和二次电池两种。

二次电池是可以反复使用的电池。

而当对二次电池充电时，电能转换为化学能，期间还伴随着吸热反应。

对于二次电池有很多性能参数。

主要的有以下四个指标：

①工作电压：

二次电池放电曲线上的平台电压。

②电池容量：

常用单位为毫安时（mAh）和安时（Ah）

③工作温区：

二次电池正常充放电的温度范围。

④二次电池正常工作的充、放电次数。

二次电池的性能可以由电池的特性曲线表示，这些特性曲线包含了充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。

二次电池的安全性可以用特性的安全检测方式对其进行评估。

二次电池可以反复使用，十分切合经济使用的原则。

对于市场上二次电池的种类，大致可分为：

铅酸（LA）电池、镍镉（NiCd）电池、镍氢（NiMH）电池和锂离子（Li–ion）电池。

1.二次电池的性能比较

二次电池间的性能比较见下表1-1

电池类型

工作电压（V）

重量比能量（Wh/kg）

体积比能量（Wh/L）

循环次数

记忆效应

自放电率（%/月）

铅酸电池

2.0

—

—

400～600

无

3

镍镉电池

1.2

50

150

400～500

有

15～30

镍氢电池

1.2

60～80

240～300

＞500

无

25～35

锂离子电池

3.6

120～140

300

＞1000

无

2～5

表1-1铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较

2.锂电池与镍氢电池、镍镉电池之间的区别

（1）重量方面

从每一个单元电池的电压来看，镍氢电池和镍镉电池是1.2V，而锂离子电池是3.6V，锂离子电池的电压是镍氢、镍镉电池的3倍。

而且，同型电池的重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等，镍氢电池却比较重。

但锂离子电池因其端电压为3.6V，在输出同电池的情况下，单个电池组合时数目减少2/3从而使成型后的电池组重量与体积都减小。

（2）记忆效应

镍氢电池和镍镉电池不同，它没记忆效应。

对镍镉电池来说，定期的放电管理是必要的。

定期放电管理属于模糊状态下的被动管理，甚至是在镍镉电池荷电量不确切的情况下进行放电，这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是没法避免的。

相比较而言，锂离子电池没有记忆效应，使用非常方便，完全不用考虑电池残余电压的多少，就可直接对其进行充电，充电时间自动可以缩短。

记忆效应是电池因为使用而使电池内容产生结晶的一种效应，一般都是长期不正确的充电方式导致的，它可使电池早衰，使电池无法进行有效的充电，出现一充就满、一放就完的现象。

防止电池出现记忆效应的方法有，在充电前最好将电池剩余的电量放光，充电时记得要一次充满。

一般镍镉电池容易出现记忆效应，所以充电时要特别注意；镍氢电池理论上没有记忆效应，但使用中最好也得注意，这也是许多充电器提供放电附加功能的原因。

对于因为记忆效应而导致容量下降的电池，可以用一次充足再一次性放光的方法反复数次，大部分电池就可以修复。

（3）自放电率

自放电率又称电荷保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。

主要受电池制作工艺，材料，储存等因素影响。

镍镉电池为15%～30%，镍氢电池为25%～35%，锂离子电池为2%～5%。

镍氢电池的自放电率最大，锂离子电池的自放电率最小。

（4）充电方式

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。

充电速率（蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量，例如用2A的电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C）通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如果再继续放电，就会损害电池。

锂离子电池以恒流转恒压方式充电。

采用1C充电速率充电到4.1V时，充电器此时立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小；当电池充满电后，进入涓流充电过程。

为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。

3.课题研究的意义

本课题研究的主要是锂离子电池的充电原理和充电控制。

锂离子电池的充电设备需解决的问题有:

（1）能进行充电前处理。

（2）解决充电时间长、充电效率低的问题。

（3）改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用效率和使用寿命。

（4）通过加强单片机的控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更好的灵活性，且成本低。

本课题研究的意义在于：

（1）充分研究锂离子电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池管理途径。

（2）使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。

1.2课题研究的主要工作

本文主要研究锂电池的充电方法，在此基础上进行系统设计和电路设计。

第一章绪论。

首先叙述了课题研究的背景，还介绍了锂电池的特点和应用中存在的主要问题及课题研究的意义和要做的工作。

第二章电池的充电方法与控制技术。

介绍了电池的充电方法和锂电池的快速充电终止的控制方法，确保在充电过程中不过充、不损坏电池。

第三章锂电池充电器电路设计。

选择控制芯片进行介绍和比较。

在此基础之上，对该电路的充电控制芯片进行选择、介绍与分析。

第四章通过C语言软件设计出锂电池快速充电器电路。

第2章电池的充电方法与充电控制技术

2.1电池的充电方法与充电器

2.1.1电池的充电方法

1.恒流充电

（1）恒流充电

充电器的交流电源电压一般会波动，充电时需要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，可方便地依据充电时间来决定充电是否停止，也可以改变电池的数目。

恒流电源充电电路如图2-1所示

图2-1恒流电源充电电路

（2）准恒流充电

在准恒流充电电路中，通过直流电源与电池之间串联一个电位器，以增加电路内阻来产生恒定电流。

电阻值可以依据充电末期的电流进行调整，使电流在电池的允许值范围内。

因为结构简单、成本低廉，所以此充电电路被广泛应用于充电器中。

准恒流充电电路如图2-2所示。

图2-2准恒流充电电路

2.恒压充电

恒压充电是指每只单体电池都以某一恒定电压进行充电。

当对电池进行恒定电压充电时，电池两端的电压决定了充电电流。

恒压充电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改变，所以充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，防止电池过充电。

另外，恒压充电的充电末期电压在达到峰值后会有所下降。

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，将会导致电池的热失控，有损电池的性能。

恒压充电电路如图2-3所示。

图2-3恒压充电电路

3.浮充方式

在浮充方式中，电池用很小的电流（C/30～C/20）进行充电，以便电池保持在满充状态。

浮充方式广泛应用于备用电源或应急电源的电气设备中。

常规浮充方式充电电路如图2-4所示。

图2-4浮充方式充电电路

4.涓充方式

电池与负载并联，同时电池与充电器相连接。

一般情况下，直流电源作为负载的工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变很大、直流电源端电压小于电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载放电。

在这种情况下，充电电流由使用模式决定。

涓充方式通常使用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。

涓充方式的简单示意图下图2-5所示。

图2-5涓充方式的简单示意图

5.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，电池将转为以涓流方式充电。

分阶段充电方式是电池目前最理想的充电方式，但缺点是充电电路复杂和成本高。

而且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

6.快速充电

当用大电流短时间对电流充电时，需要电池电压检测和控制电路。

该电路在电池充电末期实时检测电池电压和电池温度，并且依据检测参数控制充电过程。

（1）电池电压检测

在大电流充电末期，检测电池的电压，当电池电压达到设定值的时候，将大电流充电转换成小电流充电。

这里采用小电流充电方式是为了确保电池充电容量。

控制电路设置的充电截止电压一定要比充电峰值电压低。

（2）－△V检测

电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的，－△V控制系统框图如图2-7所示。

采用－△V控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若－△V检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。

电池的充电电流、电池电压和充电时间的关系如图2-8所示。

图2-7－△V控制系统框图

图2-8充电电池、电池电压和充电时间的关系

（3）电池温度检测

电池在充电末期，电池负极会发生氧复合反应产生热量，使电池温度升高。

由于电池温度升高将会导致充电电流增大，为了控制充电电流，可一在电池外壳上设置温度传感器或电阻等温度检测元件。

当电池温度达到设定值时，电池充电电路会被切断。

电池温度检测简图如图2-9所示，电池温度和充电时间的关系如图2-10所示

图2-9电池温度检测简图

图2-10电池温度和充电时间的关系

2.1.2充电器的要求和结构

1.充电器的要求

对充电器的要求是：

安全，快速，省电，功能齐，使用简便，成本低。

快速充电器（1C～4C的充电器）的安全尤为重要，终止快速充电的检测方法要可靠、精确，防止过充电。

另外，一些充电器集成电路还设有充电时间定时器来作为一种附加的安全措施。

功能全的充电器一般具有电池电压检测功能。

如果充电电池的电压大于终止放电电压，为了防止“记忆效应”的产生，应先放电至终止放电电压后，然后自动充电。

先进行快速充电，到终止快速充电时自动转换为涓流充电，各个充、放电过程都有LED指示。

功能较齐全的充电器还应具有充电率的设定、充电电池数的设定、涓流电流大小的设定、定时器时间的设定、充电前电池状态测定功能，并且可以依据电池的温度来选择充电参数。

当充电电流较小时可采用线性电源，充电电流较大时采用开关电源，它既可以省电又能解决电池发热的问题，并有可能由市电直接整流经AC／DC变换获得低压直流电，可以省去笨重的工频变压器。

2.充电器的结构框图

较早的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路和电源部分组成，它的内部结构较复杂，引脚也较多。

一般的功能较完善的充电器结构框图如图2-11AA线右边所示。

图2-11充电器结构框图

2.1.3单片机控制的充电器的优点

目前，市场上有很多的电池管理芯片，对于充电器开发的电池充电管理芯片业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。

但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果也不同。

因为采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过充会损害电池的寿命。

一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。

一般的情况下，为了使电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电结束时电池发烫，如若电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充。

设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片，具备业界公认较好的―ΔV检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，能比较精确地结束充电工作。

这些芯片往往具备了充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，如图2-11所示。

还可加入关断电源、蜂鸣报警和LED显示等，就能完成一个比较实用的充电器。

2.2充电控制技术

2.2.1快速充电器的介绍

快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。

常用的充电电流值为0.3～2小时率电流。

小时率电流值是由公式C（Ah）/t（h）规定的，其中C代表电池额定容量，t代表时间。

例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，0.5（Ah）／1（h）＝500（mA），即采用500mA的充电电流，而一般慢速充电，选用10小时率电流。

性能完善的快速充电器原理图如图2-12所示：

图2-12快速充电器原理框图

主控电路的类型如下：

（1）定时型

对电池进行定时充电时，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。

定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分档充电，使用起来很方便。

因为定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。

自制时，为了确保充电安全，最好选用5小时率的电流充电。

（2）电压峰值增量△V型

有的可充电电池在充电时端电压随着充电时间的增长而变大，但充足电后端电压又开始下降。

设计主控电路时，利用该特性能监测到电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。

这也称为－△V法。

由于这种控制电路比较复杂，所以不适于自制。

（3）其他主控电路

主控电路除了上面两种以外，还有温度监测和脉宽调制（PWM）控制电路。

温度监测常用热敏电阻监测电池温度。

当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。

只有它复位后，才能启动再次快速充电。

2.2.2快速充电终止控制方法

充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。

依据充电电池的原理，将锂电池的电压曲线分成三个阶段，如下图2-13所示。

图2-13锂电池的充电特性

由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三个阶段应分别用不同的控制方式。

具体为:

进入B—C阶段之前，电池电量基本用完，此时采用恒定的小电流充电。

当进入B—C阶段时，如果还采用恒流充电，电流过大就会损坏电池，电流过小就会使充电时间变长，根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，如果此时停止充电，电池就会自放电。

为防止自放电现象得发生，必须采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。

在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态将终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变。

由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。

电池在充满后，如果不能及时停止充电，电池的温度将会迅速上升。

温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，会使缩短电池寿命、容量下降。

为了保证电池充足电而又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法来终止充电。

（1）定时控制

定时控制适用于恒流充电。

采用恒流充电法时，依据电池的容量和充电电流，能很容易的确定所需要的充电时间。

充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器会发出信号，使得充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速转换成浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。

这种控制方法较简单，但也有缺点：

充电前，电池的容量不能准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定量的损失，实际的充电时间很难确定。

而该方法充电时间是固定的，不能依据电池充电前的状态而自动调整，会使有的电池可能充不足电，有的电池过充电，所以，只有充电速率小于0.3C时，才会采用这种方法。

（2）电池电压控制

在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压值。

常用的电压控制法如下：

最高电压（VMAX）：

从充电特性曲线能看出，电池电压达到最大值时，电池此时充足电。

充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。

这种控制方法的缺点是：

电池充足电的最高电压会随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也会有差别，所以采用这种方法不可能非常准确地判断电池是否充满电。

电压负增量（－△V）：

由于电池电压的负增量和电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，所以可以比较准确地判断电池是否充满电。

而这种控制方法的缺点有：

①电池充足电之前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充；②镍镉电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。

所以这种控制方法主要适用于镍镉电池。

电压零增量（△V）：

锂电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0△V控制法。

这种方法的缺点是：

未充足电以前，电池电压会在某一段时间内可能变化较小，如果此时误认为0△V出现而停止充电，会造成误操作。

为此，目前大多数锂电池快速充电器都采用高灵敏0△V检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。

（3）电池温度控制

为了避免损坏电池，电池温度上升到一定数值后，必须立即停止快速充电。

常用的温度控制方法如下：

最高温度（TMAX）：

充电过程中，通常当电池温度达到40℃时，应立刻停止快速充电，否则就会损害电池。

电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。

这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。

温度变化率（△T/△t）：

充电电池在充电的过程中温度都会发生变化