多用简易智能充电器设计文档格式.docx
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1.可充电电池和充电器基础知识
日益发达的便携式电子产品对可充电电池的容量和循环寿命等性能要求越来越高.目前常用的有四大类,镍镉电池和铅酸免维护电池（简称SLA）这两类在上世纪六十年代已经普遍推广,镍氢电池和锂离子电池（含锂聚合物电池）这两大类是近十年才大量商业化使用.这四大类电池各有所长,下表给出了一个基本参考,不同电池生产厂家的具体数值可能有较大差别,使用时咨询生产厂家,表中的数据仅供比较参考使用（表中C为电池的标称容量,单位为AH（安时）, A表示充电恒流电流.）
比较项目
铅酸免维护电池
镍镉电池（NICD）
镍氢电池（NIMH）
锂离子电池（LI-ION）
能量密度（Wh/kg）
30
40
60
100
循环寿命（次）
300
800
500
工作温度（°
C）
0~35
0~45
0~40
0~50
最大充电电流（A）
0.25C
2C
1C
充电方式
恒流后恒压
恒流
充电时间（小时）
C/A+2hours
C/A+20%
C/A×
2
人们当然希望充电器能在短时间内充电完成,但是由于电流大且控制难,这在成本和技术方面都有一定程度的代价付出。
如果使用条件允许,选用10~14个小时左右充电结束的夜晚慢充型充电器会有价格低,体积小巧等优点。
对于在线并连使用的SLA电池,充电方式建议选用2.27V/单元（对应12V电池为13.7V）恒压充电,这种方案既不会过充电池,也有利于稳定设备电压。
对于要经常离线充放电使用SLA电池的场合,应该使用先0.2C恒流,再2.45V/单元恒压,电池充好后即时进入2.27V/单元恒压的"
三段式"
充电方法。
整个充电时间约为8到10小时。
NICD电池允许有一定电流的过充,因此选用0.1C电流的简单恒流源充电器可谓经济实惠。
NIMH电池对过充电较为敏感,即使用0.1C的电流,如果充电超过14个小时或对已充好的电池再继续充几个小时,对电池的寿命都有较大损害。
电池充好时应及时关断电流或将充电电流降低到0.02C以下是非常重要的,即使对0.1C的夜间慢充型NIMH充电器也是如此。
最大充电电流达到2C左右的智能型快速充电器已经有很多成功案例。
这类充电器一般都必须在充电进程的各阶段随时监测电池电压、温度等参数，当电池快要充满电时自动降低充电电流倍率，这样可以将电池过充电引起的过温过压风险降到最低。
NICD和NIMH两类电池的充电特性非常相似，只是NIMH电池在充电过程中发热更多一些、峰值电压更不明显一些。
这两类电池在快速充电时都采用下面几种条件之一来作为快充电终止的条件：
包括电压上升斜率（dV/dt）、电压负增长（-dV）和电池温度上升斜率（dT/dt）。
还有三个条件是设置为异常保护条件下进行动作的：
最高电池温度、最高电池电压和充电器内置定时器。
要实现这些监测和智能切换动作，肯定要带来充电器成本上升，但是如果没有这些措施，电池将面临着容量下降、循环寿命降低甚至漏液爆炸等安全隐患。
LI-ION和SLA电池的充电方式较为相似，都要求先恒流再恒压，区别是锂离子电池对充电恒压阶段的电压精度要求较高（<
1%）。
由于锂电池的安全性是一个致命的隐患，因此要求在充电结束控制和保护方面要特别小心。
对于不同的应用场合，锂离子电池包都会内置有相应的充放电保护电路,以便更安全的保护电池不发生以外。
2.常见充电电池特性及其充电方式
电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的，由于使用的化学物质的不同，电池的特性也不同，其充电的方式也不大一样。
电池的安全充电现代的快速充电器（即电池可以在小于3个小时的时间里充满电，通常是一个小时）需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。
充电方法SLA电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流；
NiCd电池和NiMH电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止充电的判断方法。
最大充电电流最大充电电流与电池容量（C）有关。
最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。
例如，电池的容量为750mAh，充电电流为750mA，则充电电流为1C（1倍的电池容量）。
若涓流充电时电流为C/40，则充电电流即为电池容量除以40。
过热电池充电是将电能传输到电池的过程。
能量以化学反应的方式保存了下来。
但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。
一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。
当电池充满后，若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。
在快速充电时这将使电池快速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。
因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。
现代消费类电器主要使用如下四种电池：
•密封铅酸电池（SLA）
•镍镉电池（NiCd）
•镍氢电池（NiMH）
•锂电池（Li-Ion）
在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。
密封铅酸电池（SLA）密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如UPS和报警系统的备份电池。
SLA电池以恒定电压进行充电，辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。
只要电池单元电压不超过生产商的规定（典型值为2.2V），SLA电池可以无限制地充电。
镍镉电池（NiCd）NiCd电池目前使用得很普遍。
它的优点是相对便宜，易于使用；
缺点是自放电率比较高。
典型的NiCd电池可以充电1000次。
失效机理主要是极性反转。
在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。
为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。
一旦单元电压下降到1.0V就必须停机。
NiCd电池以恒定电流的方式进行充电。
镍氢电池（NiMH）在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机，等等镍氢电池是使用最广的。
这种电池的容量比NiCd的大。
由于过充电会造成NiMH电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。
和NiCd电池一样，极性反转时电池也会损坏。
NiMH电池的自放电率大概为20%/月。
和NiCd电池一样，NiMH电池也为恒定电流充电。
锂电池（Li-Ion）和本文中所述的其他电池相比，锂电池具有最高的能量/重量比和能量/体积比。
锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。
当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。
过充电将造成电池损坏，甚至爆炸。
镍氢/镍镉电池充电模式
这2种镍类电池具有相似的充电特性曲线，因而可以用一样的充电算法。
这2种电池的主要充电控制参数为-ΔV和温度θ．
对镍氢／镍镉电池由预充电到标准充电转换的判据为：
①单节电池电压水平0.6～1V；
②电池温度-5～0oC．电池饱和充电的判据为：
①电池电压跌落或接近零增长–ΔV=6～15mV／节；
②电池最高温度θmax＞50℃；
③电池温度上升率dθ/dt≥1.0℃／min。
由于温度的变化容易受环境影响,因而实际用于判别充电各阶段的变量主要为–ΔV、θmax，其中对–ΔV的检测需要有足够的A／D分辨率和较高的电流稳定度．-△V的测量与A/D分辨率、充电电流的稳定性与电池内阻之间有以下关系:
当电池内阻等于50Ω（接近饱和充电）时，充电电流=1200mA，电流漂移等于5%，单节电池的最高充电电压为1.58V，则此时电流漂移可能引起的电池电压变化为3mV。
在锂离子电池充电采样时，测量到的电压是电池的在线电压，一般在线电压要高于静态电压（与内阻有关）。
在充电器设计中，对锂离子电池充电各阶段转换判断的测量参数只有在线电压，电压采样偏差小于0.05V。
3.系统设计任务
题目智能充電器
题目类型：
工程设计技术专题研究理论研究软硬件产品开发
一、设计任务及要求
本设计是要求用通用器件設計一種智能充電器（不使用專用充電器芯片）
（1）掌握各種常用充電池的充放電特性；
（2）根據各種電池的充電特性設計一充電器，能完成各種沖電池的充電。
二、应完成的硬件或软件实验
（1）硬件电路设计
（2）软件编程（如果必要的話）
（3）系统整体调试
三、应交出的设计文件及实物（包括设计论文、程序清单或磁盘、实验装置或产品等）
（1）參考萍乡高专毕业论文（设计）项目一览表、萍乡高等专科学校毕业设计说明书封面等畢業設計要求規范
四、要求学生搜集的技术资料（指出搜集资料的技术领域）
（1）各種充電池的相關資料；
（2）各種充電器的相關資料。
五、设计进度安排
第一部分搜集資料（1周）
第二部分电路设计和软件调试（2-4周）
第三部分撰写设计论文（5-6周）
评阅及答辩（6周）
二．系统设计框图
三．硬件电路设计
1.实现功能
根据各种充电电池的特性，本次设计的智能多用恒流充电器，可对12V/6.5A·
h以下的各种充电电池进行恒流充电，充满电时自动停止，并有发光管指示充电及停充状态。
电路安装简单，效果好。
2.工作原理
智能多用恒流充电器是由电源部分、恒流充电部分与自动控制三部分组成。
当时基集成电路IC的②、⑥脚电压低于（2/3）VDD时，③脚输出高电平，三极管VT1导通，电阻R6有电流流过，VDw2两端有3.6V电压，使三极管VT2导通，经二极管VD7对电池充电，与此同时绿色发光二极管VD9点亮，指示充电状态。
由于三极管VT1导通，二极管VD6亦导通，电阻R5有电流流过，A点电压被钳位在1V左右，二极管VD5反偏，对IC的②、⑥脚无作用。
当电池充满（即充至终止电压）时，②、⑥脚电压升至（2/3）VDD,IC置位，③脚输出低电平，三极管VT1截止，VD9熄灭，VT2也随之截止，充电停止。
电路中加入R5、VD5、VD6的作用，是在充电停止VT1截止时，R5及VD6无电流流过，A点电压升至近于VDD值，VD5导通，使②、⑥脚电压维持高于（2/3）VDD，电路保持稳定的充电停止状态。
VD7的作用，是防止充电停止后，电池对电路放电造成无谓的消耗。
RP4~RP6、R7与C3等元件，决定IC振荡频率。
将RP4~RP6分别设定到充电电压达到终止电压时，②、⑥脚电压恰好是（2/3）VDD，使电路IC置位，即可对不同的充电电池进行控制。
智能多用恒流充电器的全局电路，如图1所示。
图1
2.1电源部分
电源变压器T、全桥整流器VD1~VD4、滤波电容C1及稳压管VDw1等，组成电源电路，并用三刀三掷开关S2-1选择不同电压源电压，以适应不同的充电电池和容量，如图2所示。
图2
2.2恒流充电部分
三极管VT2、稳压管VDw2及有关元件组成恒流充电电路，如图3所示。
VDw2两端稳定的3.6V电压，经相应电阻加给VT2恒定的偏流，VT2即有恒定的电流输出，对电池进行恒流充电。
恒流值为
式中0.7V——PNP型三极管VT2的b-e结正向压降；
3.6V——VDw2稳压管稳压值；
——VT2管的偏流电阻，即图中R8~R10和RP1~RP3。
当三极管选定后β值不变，则恒流由偏流电阻决定。
经开关S2-2选择阻值，即输出不同的恒流。
在一定范围内，恒流值与所接入的电池电压无关。
图3
2.3自动控制部分
时基集成电路IC及相关元件，组成自动控制部分。
IC接成施密特发生器，与适当元件配合，即对充电过程进行检测与控制，如图4所示。
当IC的②、⑥脚电压低于（2/3）VDD时，③脚输出高电平，三极管VT1导通，电阻R6有电流流过，VDw2两端有3.6V电压，使三极管VT2导通，经二极管VD7对电池充电，与此同时绿色发光二极管VD9点亮，指示充电状态。
图4
四．元件选择及系统调试
IC：
任意555型时基集成电路。
T：
电源降压变压器，要求次级具有12V、19V两种抽头，电流为1A，功率为20W。
VT1：
NPN型三极管，9014。
VT2：
PNP型大功率三极管，BD236等。
S2：
三三刀三掷开关。
VD1~VD4：
IN4148型二极管。
VDw1：
5.1V型稳压二极管。
VDw2：
3.6V稳压二极管。
VD8：
为红色发光二级管，指示充电停止。
VD9：
为绿色发光二级管，指示充电状态。
R1：
390Ω；
R2、R3:
330Ω；
R4：
2.2kΩ；
R5、R10：
2.7kΩ；
R6：
1kΩ；
R7：
12kΩ；
R8:
300Ω；
R9：
9.1kΩ。
RP1：
560Ω；
RP2：
3.3kΩ；
RP3：
8.2kΩ；
RP4、RP5：
56kΩ；
RP6:
22kΩ。
C1:
2200μF∕50V；
C2：
47μF∕10V；
C3：
0.1μF。
1.protel99se元器件清单及封装列表，如表1所示。
表1
2.智能多用恒流充电器的PCB电路图，如图5所示。
图5
3.理论系统调试
当经检查元件质量良好，又组装正确无误时，即可开始调试。
调试前，应先作一假负载代替电池接入电路，并接入相应的电流表A与电压表V，供调试时检测用。
调试时，每一档应分别进行。
先将PR1~RP6调至最大值，将装换开关S2至于Ⅰ档（12V、6.5A·
h），接通电源、调节RP1使电压在12V左右，电流表A指示650mA，说明恒流输出正常，再调RP1使电压固定在14.5V（12V、6.5A·
h电池充电终止电压）。
调RP4使IC置位。
发光二级管VD8亮，VD9灭，表示停止充电。
为确保RP4调节的准确性，再将RP1往回调，使电压稍许降低一点，把IC的②、⑥脚对地短接一下使电路回到充电状态，慢慢调节RP1使电压升至14.5V时，电路应动作，若有出入可微调RP4，直至刚好14.5V时电路IC置位为止。
其他档位与此调试方法相同。
Ⅰ档为12V∕6.5A·
h；
Ⅱ档为12V∕2.5A·
Ⅲ档为6V∕4A·
h。
假负载可用6~8V灯泡，电流值应大于该档输出电流，否则被烧毁。
使用时，应先接入欲充电的电池，之后再接电源。
各档位应依据被充电池电压与容量来选择。
五．参考资料
《数字电子技术》（第三版）………高等教育出版社主编：
杨志忠
《模拟电子技术》（第2版）………高等教育出版社主编：
胡宴如
《电工电子实践指导》…………江西科学技术出版社主编：
王港元
《Protel99SEEDA技术及应用》……机械工业出版社主编：
熊建云
《电子电路制作指导》…………化学工业出版社主编：
张宪何宇斌
（部分资料来源于XX文库）
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