毕业设计锂离子电池的充电器设计完整.docx

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毕业设计锂离子电池的充电器设计完整

数学N51存放数学成绩

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【答案】A

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简历M4

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河南科技学院

2021届本科毕业论文（设计）

论文题目：

锂离子电池的充电器设计

学生姓名：

毕明迪

所在院系：

机电学院

所学专业：

应用电子技术教育

导师姓名：

张伟

完成时间：

2021年5月20日

摘要

本设计以单片机为控制核心，系统由指示灯电路、电源电压与环境温度采样电路、精确基准电压产生电路和开关控制电路组成。

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。

该电路具有安全快速充电功能，可以广泛应用于室内外单节锂离子电池的充电，如、数码产品电池等。

关键词：

锂离子电池，充电器，硬件电路，软件设计

Thedesignofchargeraboutlithium-battery

Abstract

ThisdesignusesSCMsystemforthecontrolofcore,itincludesthepilotlampcircuitonsystem,samplingcircuitaboutvoltageandtemperature,thecausesaboutstandardvoltageandswitchcontrols.Thecircuitachieveschargingbattery,LEDinstructions,theprotectionmechanismandexceptionhandling,andotherfunctions.Thispaperintroducesthefollowingthings:

parametersoflithium-battery,principlesandmethodsoncharge,designthinkingsandsystemstructureaboutcharger,anditdescribesthefunctionalmodeofthechargerindetail,moreoveritproposesthethinkingofplanandstructureofasystem.Thecircuitwhichbeplanedhavefunctionsofsafety,rapidandsoon.ItcanuseinthechargeofLithium-ionbatterythatisonlyfar-ranging,suchasthebatteryofcellphone,digitalproductandsoon.

Keywords:

Lithium-ionbattery,Charger,Hardwarecircuit,Softwaredesign

1引言

1.1课题研究背景

近年来，各种携带式的电子产品成为市场上的热门，如、数位相机、个人数字助理（PDA）、笔记型电脑等3C（Computer,Communication,ConsumerElectronics）等等产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品的各项高性能元件也往「轻、薄、短、小」的目标迈进，因此对于体积小、重量轻、能量密度高的二次电池需求相当迫切。

因此,电池厂商也研发出各种不同用途的电池，来适应电子装备的需求。

使电子产品具有携带更方便，使用时间长等特点。

小型二次电池包括镍镉电池、镍氢电池及锂电池，在防止镉污染的环保需求下，镍镉电池慢慢被取代已成趋势。

镍氢电池虽无环保问题，但是能量密度低，高温特性差及少许记忆效应等缺点，在3C产品应用上，已经逐渐被锂离子电池所取代。

锂离子电池具有工作电压高（3.7V）、能量密度大（150Wh/kg）、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，皆以锂离子电池做为其能量来源，因为电子产品的使用量迅速成长，各种可携带式电子产品的研发不得不更轻薄短小以使产品能更具有竞争力，“电池”的角色显得更加重要，其品质的良莠甚至决定了产品的成功与否，特別是可充电二次电池，在市场中成长快速、利润高，目前已成为许多先进国家竞相发展的研究项目，其未来需求及发展前景是相当看好的。

总的来说，锂离子电池具有以下优点：

（1）能量密度高，其体积能量密度和质量能量密度分别可达360W·h/dm3和150W·h/kg，而且还在不断提高。

（2）工作电压高，通常单节锂离子电池的电压为3.7V，单体电池即可为3V的逻辑电路供电。

对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。

（3）自放电小，每月10%以下，不到镍镉电池的一半。

（4）可快速充放电，1次充电时容量可达标称容量的80%以上。

锂离子电池负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。

在特定情况下可在短时间内充足电，而且安全性能大大提高。

（5）寿命长，锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。

目前，锂离子电池的寿命可达1000次以上，远远高于各类电池。

（6）允许温度范围宽，锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在-20~+60

之间工作。

高温放电性能优于其它各类电池。

此外，锂离子电池还具有体积小、输出功率大、无记忆效应和无环境污染等优点。

综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池，尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但还是存在有如下的缺点。

（1）与干电池无互换性：

锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池互换的缺点，当蓄电池放完电时，一般的想法是用干电池暂时取代但由于这两者电压不同，不能直接代换。

（2）无法急速充电：

锂离子电池不能像镍镉电池那样，用15分钟急速充足电。

锂离子电池的充电方法是，最初以恒定电池充电，最后则以恒定电压完成充电，较快速度充电时间约需2小时。

（3）内部阻抗高：

因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多。

所以，锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大10倍左右。

（4）工作电压变化较大：

电池放电到额定容量的80%时，镍镉电池的电压变化很小（约20%），锂离子电池的电压变化很大（约40%）。

对电池供电的设备来说，这是严重的缺点，但可以由锂离子电池放电电压变化比较大，很容易据此检测电池的剩余电量。

（5）放电速率较大时，容量下降较大。

（6）必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放。

但同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。

因此锂离子电池具有广泛的应用价值，其经济价值相当可观。

1.2充电器功能描述

充电器是特为化学电池设计的理想产品，它们使电池的三项关键指标达到最优化，即容量、寿命和安全性。

正是锂离子电池在各个领域越来越广泛的应用，推动了对锂离子电池充电器的研究。

目前一些大的厂家生产的充电器都具有以下特点：

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。

由于锂离子的特点使得其对充电器的要求比较苛刻。

其要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需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，由此可见实现安全高效的充电控制已成为锂离子电池推广应用的目标。

按照锂离子电池的特性参数和充、放电曲线完成充电器设计，可以完成如下的功能。

（1）电池充电功能

完成基本的充电功能，能按电池的充电曲线，完成恒流/恒压充电。

（2）LED指示

电池正在充电，充电器的LED指示灯显示为红色；充电后，LED指示灯显示为绿色。

（3）保护机制

当电池和充电器的工作温度超过设定范围，或者充电电压出现异常时，系统的红色LED指示灯闪烁，期间隔为0.5s。

此外，对于过压和过流状况采取相应的保护措施，保证充电的正常运行。

（4）异常处理

系统能在排除异常后，重新恢复充电。

2系统设计框架与技术参数

2.1系统设计框架

锂离子电池在充、放电使用中必须注意保护。

用一个形象的肥皂泡沫做比喻，锂离子电池如同一堆肥皂泡沫，泡内存储的就是电能。

充电时，气泡会随着充电时间的加长而不断增大，当超过其极限值时气泡就会破裂，此时即损坏了锂电晶型，造成永久性损坏；若过度放电，则会造成气泡塌陷、消失，这样下次充电时气泡就充不起来，导致锂电池失效。

设计系统框架时，除了技术参数外，系统的可靠性和安全性也是至关重要的。

为了保证充电不对电池造成永久性损坏，在设计中必须考虑保护措施（包括过流保护、过压保护和温度保护）。

另外，充电器充电过程包括了恒流工作阶段和恒压工作阶段，且系统必须保证恒流、恒压的稳定性。

图1所示时系统的设计框架，包括电压/温度采样模块、开关控制模块、保护机制模块和充电模块。

图1系统框架设计

保护机制：

该模块将系统的工作状态实时显示出来，并根据事先编写的软件响应监控信号。

在实现时，该模块电路被分散在其他3个模块的实现电路中。

开关控制：

该模块利用A/D采样检测充电恒流，在非法工作时关断系统电源。

充电功能模块：

该模块的主要功能是产生精确的基准电压，完成电池充电，并实时采样系统状态。

温度/电压采样：

该模块完成充电器电源电压和环境温度的采样，并根据采样值决定系统的工作状态。

2.2锂离子电池特性

锂离子电池在现实生活中使用的非常频繁，而锂离子电池充电器的设计与采用以往充电技术的充电器不一样。

锂离子电池可以分成两大类:

不可充电型和可充电型，其最大特点是比能量高。

比能量指的是单位重量或单位体积的能量，用Wh/kg或Wh/L表示。

锂离子电池参数特性

充电温度：

一般情况下，锂离子电池的充电温度为0℃～45℃。

放电温度：

一般情况下锂离子电池的放电温度为-20℃～65℃。

循环寿命的数据：

10%放电深度时，大于1000次，100%放电深度时，大于200次。

存储特性：

在充满电状态的锂离子电池在20℃下保存28天的容量保存率平均为96%，恢复率是99%以上。

延长锂离子电池使用寿命的方法：

锂离子电池在经历了300—500个充放电周期之后便会因容量退化而失效。

而且，由于锂离子电池的自然老化现象，其平均使用寿命仅为2—3年。

锂离子电池的老化速度受到诸多因素的影响，例如环境温度及其充电状态。

为了减缓其老化过程，需要将锂离子电池存放在低温处并对其进行部分充电。

锂离子电池的放电特性

锂离子电池在使用中不可过充、过放，否则将损坏电池，使之报废。

因此，电池上一般有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。

正确使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。

锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形及扣式，而且有由几个电池串联在一起组成的电池组。

锂离子电池的额定电压为3.6V（个别产品为3.7V）。

锂离子电池对充电要求很高，必须保证充电终止精度在1％之内。

充电完成时的终止充电电压与电池阳极材料有关；阳极材料为石磨材料的电池为4.2V；阳极材料为焦炭的电池为4.1V，不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别，如图2所示。

图2常规锂离子电池的放电曲线

锂离子电池的充电特性

锂离子电池易受到过充电、深放电以及短路所造成的损害，其充电电压必须严格限制。

充电速度通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电则会损坏电池。

锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。

采用1C恒流充电至4.1V（或4.2V）时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减少，当电池充足电后，进入涓流充电过程，如图3所示。

图3锂离子电池的充电曲线

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

2.3锂电池充电方法

充电管理是锂离子电池管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。

随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。

目前锂离子电池充电主要有四种方法：

恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电。

恒流充电（CC）

采用恒流充电式，可使电池具有较高的充电效率，该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图4所示。

这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。

但由于锂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，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。

图4恒流充电法曲线

恒压充电（CV）

在恒压充电法中，电池两端电压决定了充电电流，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

充电电流随着电压波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免使电池过充电，充电曲线如图5所示。

从图中可以看到，充电初期充电电流过大，这样对锂电池的寿命会造成很大影响。

另外，在此种充电方式中，充电末期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，将造成电池的热失控，损害电池的性能，因此不推荐采用恒压充电方式。

图5恒压充电法曲线

恒流恒压充电（CC/CV）

在CC/CV充电器中，充电通过恒定电流开始。

在恒流充电CC周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。

当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。

在CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约85%的容量，电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低。

在CV周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10容量时，充电周期完成，又称为二阶段式充电法。

恒流恒压充电曲线如图6所示。

图6恒流恒压充电曲线

脉冲充电

脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。

脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。

当电池电压上升到充电终止电压

后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。

在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。

每次充电时间为

后，然后关闭充电回路。

充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上并升超过充电终止电压

；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。

电池电压恢复到

时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。

在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到

的时间达到某个预设的值

为止，可以认为电池已接近充满，如图7所示。

图7脉冲充电法曲线

在以上四种充电方法中，恒流充电不容易充满，恒压充电容易造成热失控，损害电池性能，而脉冲充电成本较高需要嵌入智能控制芯片，因此锂离子电池充电仍应该以恒流恒压的方法为主。

虽然恒流恒压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充电效率高，并且对于电池寿命有所改善，因此在锂离子电池充电中占主导地位，本文所设计的充电器也将主要采用这种充电方法。

2.4系统技术参数

本系统技术参数：

充电电压/电流参数和系统充电曲线。

（1）充电曲线分析

由系统的充电曲线可以看出，本系统分3个阶段进行，如图8所示分别用A、B、C标明。

此外，充电曲线A阶段部分与图3所示的曲线有所不同。

A阶段的充电过程是根据应用的需要自定义的一个充电阶段，它是准备阶段。

从充电曲线中可以看出，A阶段的充电电流较小，充电电压从3.5V以线形方式增加，增幅稳定且快速。

这以阶段称为“预充电”过程，它用来检测电池是否正常。

（2）系统参数设定

充电过程分为3个阶段：

A为预充电阶段；B为快速充电阶段；C为涓流充电阶段，各个充电阶段的技术参数可通过充电曲线得到。

A阶段：

预充电阶段

指示快速充电之前的阶段，检测电池是否正常工作。

充电至电压3.8

0.05V时，充电器转道快速充电阶段，在此期间充电电流维持在80

30mA。

B阶段：

快速充电阶段

本阶段充电电流维持在150

30mA；电池电压大于3.9

0.1V而充电时间大于4个小时

C阶段：

涓流充电阶段

本阶段电池电压维持在4.2

0.03V，充电电流小于50

15mA。

在上述3个阶段中，A、B阶段是恒流充电，C阶段为恒压充电。

图8分段充电曲线

3充电器硬件设计

系统整体电路按照实际电路功能可划分为系统指示灯电路、电源电压与环境温度采用电路、精确基准电压产生电路和开关控制电路。

3.1系统指示灯电路

系统指示灯有两个：

红色LED和绿色LED。

当电池处于充电状态时，充电器的红色指示灯亮，绿色指示灯熄灭；当电池充电基本完成，进入涓流阶段时，充电器的绿色指示灯亮，红色指示熄灭；若出现异常状况，则红色指示灯闪烁，绿色指示灯熄灭。

如图9所示，LED直接连接至单片机I/O口，RES2电阻利用分压原理得到LED的工作电位差，并利用与LED串联的特点限制其工作电流，起过载保护的作用。

图9系统指示电路

3.2电源电压与环境温度采样电路

电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量，是电池温度升高。

由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电路中设置热敏电阻等温度检测元件，当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。

如图10所示，该电路完成充电器电源电压和环境温度的采样。

当电源适配器电压或环境温度超出设定范围时，系统应该报警提示并立即停止充电。

图10电源电压与环境温度采用电路

电路原理和器件功能描述如下：

（1）Vref连接精确基准电源产成电路，为温度采样提供可靠的标准值。

（2）连接Vref的10kΩ电阻为分压电阻。

（3）系统利用热敏电阻的压降计算得到温度值，利用T_AD连接至单片机的管脚，再利用该管脚的A/D转换器向单片机输入温度采样值。

（4）电压值利用电路作半部分的分压电路得到，利用P_AD连接至单片机的管脚，再利用该管脚的A/D转换器向单片机输入电压采样值。

（5）利用分压电路取数据可使采样值处在A/D转换器的允许范围内。

（6）电容C4起滤波的作用，防止采样点电压的波动。

3.3精确基准电源产生电路

如图11所示，该电路为电源提供基准电源。

系统使用由德州仪器公司生产的TL431三端可调分流基准源，TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等。

图11精确基准电源产生电路

3.4开关控制电路

图12右边电路使两个A/D采样子模块。

一个用于采样电池的电压（U_AD标号）；另一个用于采样充电电流（I_AD标号）。

A/D采样的工作原理：

充电电流的采样是利用一个0.25Ω阻值的电阻，通过电流产生的压降进行的。

这个形成压降的电阻不能很大，否则会形成过大的压降。

在U_AD的电压入口处连接了阻值为1MΩ的电阻，它主要起放电的作用：

在实际的测试中，发现电池拿走后其残留的电压比较大，不能检测到电池已被移出，因此利用这个电阻放电。

如图12，系统利用两个三极管（Q1和Q2）做开关控制，对电池进行充电。

图12开关控制电路

系统的整体电路图如附录一所示，在单片机的控制中，在采样电路的前提下基准电源对电池的电压进行控制，并运用开关电路对电池进行充放电的控制。

4充电器软件设计

4.1系统软件总体设计思路

充电器机上电源后，系统首先要检查是否有电池放入，准备充电，同时还必须检测电池是否可用。

然后系统须连续数次检测各个A/D通道，进行电源电压、环境温度等数据的初始化，设定系统初始值。

如果电池电压采样通道连续3次检测到电压值大于1.0V，则认为充电器内已放入电池，且电池可用，开始充电。

整个充电过程可分3个阶段进行，每个充电阶段的数据独立，但他们的处理机制基本一致。

对于这3个充电阶段，A、B两阶段必须做到恒流控制，C阶段必须做到恒压控制，这是充电阶段的主要功能部分。

恒流、恒压控制电路已知，单片机必须对I/O口的数据做出判断，并根据判断向外部电路发出正确的动作指示。

4.2系统主流程

图13所示为系统主流程，它包括初始化函数、电池检测函数、预充电子程序、快速充电子程序和涓流充电子程序，该流程图给出了软件的执行时序。

按照系统主流程的时序设计，各函数的调用机制为：

（1）单片机上电后，初始化寄存器。

单片机上电后，完成系统主流程的主函数将使用CALL指令调用初始化函数，初始化工作包括3个方面：

定义全部寄存器和单片机端口、初始化片内寄存器和端口状态、系统监控系统复位并启动，中断复位等待。

图13系统主流程

初始化过程将清除上次充电的所用记录，同时启动系统的监控函数，并复位中断系统，通常这已过程十分迅速，一般会在放置电池前完成。

（2）调用检测电池的子程序，完成检测。

检测电池的子程序将用当前的状态值覆盖先前无电池时采样的无效值，然后对取得的状态值判断此刻充电器放置的电池是否可用。

一般来说，系统将连续做4次电源电压、电池电压、电池温度和充电电流的采样，将采用的状态值与系统预设的正常参数进行比较：

若4次比较的结果全部无误，则进入电池检测子程序；若4次比较的结果存在错误，则系统一直检测下去，直到连续4次比较的结果全部无误。

（3）确认充电器中存在电池后，再根据电池电压是否大于3V的条件，决定采用预充电还是快速充电。

确认充电器内的电池可以进行充电，系统将进入电池检测子程序：

如果程序检测到电池的电压大于1V，则认为充电器内有可用的充电电池；否则系统认为无电池或电池不可用，并退出函数，再重新开始执行检测电池的子程序。

这一过程依然利用CALL指令完成。

如果电池检测子程序确认充电器内放置了有效的电池，那么系统将做进一步的检测。

检测当前电池的电压是否大于3V，如果电池电压大于3V，考虑电路采样和单片机端口的损耗，电池的实际电压很可能已达到快速充电的电压要求，因此，可以跳过预充阶段，直接进行快速充电。

（4）再相应的充电阶段，子程序内部保持循环，不断检测，直至相应阶段充电完毕，退出相应的子程序。

充电子程序包括预充充电子程序、快速充电子程序和涓流充电子程序。

可根据电池电压的值跳过预充充电子程序，直接进入快速充点子程序。

当系统进入到充电子