鋰離子電池充電控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p>　　鋰電池充電控制器的設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　一 本課題研究的目的和意義</p><p>　　隨著社會的發(fā)展，各種便攜式設(shè)備已經(jīng)逐步走進(jìn)了我們的生活：手機,MP3,筆記本電腦，數(shù)碼相機，便攜式dvd等已經(jīng)成為了我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。伴隨著便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，其用電問題也越來越受到大家的關(guān)注。目前，市場上有一次電池和二次電池，一次電池是一次性應(yīng)用的電池，二次電池

2、是可以反復(fù)使用的電池。隨著便攜式設(shè)備的發(fā)展，無論從節(jié)約成本來說，還是從環(huán)境保護的角度來說，二次電池都比一次電池更有優(yōu)勢，因此二次電池的市場需求量也越來越大。</p><p>　　鋰離子電池自20世紀(jì)90年代上市以來，它以能量密度高，使用壽命長的特點倍受重視。基于市場的要求，世界各大電池生產(chǎn)商為了在市場領(lǐng)域里取得優(yōu)勢，無不致力于開發(fā)具有能量密度高，小型化，薄型化，輕量化，安全性高，循環(huán)壽命長，低成本的新型電池。對此

3、，聚合物鋰離子電池具有上述各項優(yōu)點，是各廠商致力研究的目標(biāo)。聚合物鋰離子電池基于安全、輕薄等特性，廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備，所以聚合物鋰離子電池是21世紀(jì)移動設(shè)備最佳的電源解決方案。</p><p>　　然而，鋰離子電池已易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格限制。充電速率通常不超過1C，最低放電電壓為2.7～3.0V，如再繼續(xù)放電，則會損害電池。鋰離子電池以恒流轉(zhuǎn)恒壓方式進(jìn)行充電。采用

4、1C充電速率充電至4.1V時，充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電流逐漸減??；當(dāng)電池充足電后，進(jìn)入涓流充電過程。為避免過充電或過放電，充電器必須采取安全保護措施，以監(jiān)測鋰離子電池的充放電狀態(tài)。</p><p>　　二 本課題的主要工作內(nèi)容和預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p><b>　　主要工作內(nèi)容：</b></p><p>　　了解并掌握鋰離子電池

5、的各種充電方式</p><p><b>　　1.恒流充電</b></p><p>　　充電器的交流電源電壓通常會波動，充電時需采用一個直流恒流電源(充電器)。當(dāng)采用恒流充電時，可使電池具有較高的充電效率，可方便地根據(jù)充電時間來決定充電是否終止，也可改變電池的數(shù)目。恒流電源充電電路如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 恒流電源充電電

6、路</p><p><b>　　2.恒壓充電</b></p><p>　　恒壓充電電路如圖2-3所示。恒壓充電是指每只單體電池均以某一恒定電壓進(jìn)行充電。當(dāng)對電池進(jìn)行這一充電時，電池兩端的電壓決定了充電電流。這種充電方式的充電初期電流較大，末期電流較小。充電電流會隨著電壓的波動而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時，以免時電池過充電。</p>

7、<p>　　另外，這種充電方式的充電末期電壓在達(dá)到峰值后會下降。電池的充電電流將變大，會導(dǎo)致電池溫度升高。隨著電池溫度升高，電壓下降，將造成電池的熱失控，損害電池的性能。</p><p>　　圖2-3 恒壓充電電路</p><p><b>　　3.分階段充電方式</b></p><p>　　在分階段充電方式中，在電池充電的初始階段

8、充電電流較大。當(dāng)電池電壓達(dá)到控制點時，電池轉(zhuǎn)為以涓流方式充電。分階段充電方式是電池最理想的充電方式，但缺點是充電電路復(fù)雜和成本較高。另外，需增設(shè)控制點的電池電壓的監(jiān)測電路。分階段充電方式的簡單示意圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 分階段充電的簡單示意圖</p><p>　　(2) 設(shè)計充電器的結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　充電器

9、結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p>　　設(shè)計充電控制器的各個硬件模塊</p><p><b>　　電源產(chǎn)生部分</b></p><p>　　電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78××系列和</p><p>　　負(fù)電壓輸出的lm79××系列。顧名思義，三端

10、IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有l(wèi)m9013樣子的TO-92封裝。用lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，且有一定的電壓、電流輸出，能夠獲得不同的電壓和電流，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓

11、電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負(fù)9V。</p><p>　　典型的LM7805應(yīng)用電路</p><p>　　電壓轉(zhuǎn)換及光耦隔離電路部分</p><p>　　本次設(shè)計選擇了6N137光耦合器：</p><p>　　6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個850 nm波長AlG

12、aAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速(典型為10MBd)，5mA的極小輸入電流。</p><p><b>　　特性：</b></p><p>　　①轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10MBit/s;</p><p

13、>　?、跀[率高達(dá)10kV/us;</p><p><b>　　③扇出系數(shù)為8;</b></p><p><b>　?、苓壿嬰娖捷敵?</b></p><p><b>　?、菁姌O開路輸出;</b></p><p><b>　　工作參數(shù)：</b><

14、;/p><p>　　最大輸入電流，低電平：250uA 最大輸入電流，高電平：15mA 最大允許低電平電壓(輸出高)：0.8v 最大允許高電平電壓：Vcc 最大電源電壓、輸出：5.5V 扇出(TTL負(fù)載)：8個(最多) 工作溫度范圍：-40°C to +85°C 典型應(yīng)用：高速數(shù)字開關(guān)，馬達(dá)控制系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換等 </p><p>　　6N137光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳如圖所

15、示。</p><p>　　圖3-1 6N137光耦合器 6N137光耦合器的真值表</p><p><b>　　3.充電電路的設(shè)計</b></p><p>　　MAX1898外接限流型充電電源和P溝道場效應(yīng)管，可以對單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行安全有效的快充，其最大特點是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功效耗散

16、，可以實現(xiàn)預(yù)充電，具有過壓保護和溫度保護功能，最長充電時間限制為鋰離子電池提供二次保護。MAX1898的典型充電電路如圖3-6所示。</p><p>　　MAX1898的典型充電電路</p><p>　　給出最終設(shè)計電路板，進(jìn)行調(diào)試</p><p><b>　　總結(jié)，撰寫論文</b></p><p><b>　

17、　實驗測試方法</b></p><p>　　用軟件對電路進(jìn)行模擬。在制作電路板前，用protel對電路進(jìn)行模擬仿真。</p><p>　　軟件調(diào)試。編寫單片機程序并對單片機進(jìn)行調(diào)試，使單片機控制可以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。</p><p>　　綜合調(diào)試。將電源模塊，光隔模塊，充電模塊組合到一起，檢測各個模塊之間的配合，使電路能滿足既定要求。</p>

18、<p><b>　　預(yù)期目標(biāo)及應(yīng)用</b></p><p>　　提交一塊可用的電路板；</p><p>　　提交一篇總結(jié)研究過程的畢業(yè)論文；</p><p>　　三．前期準(zhǔn)備工作情況</p><p>　　1．調(diào)研：深入了解了鋰電池充電器的設(shè)計資料和技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　2．查找

19、資料：查找了有關(guān)鋰電池充電方法的論文，國內(nèi)外先進(jìn)充電產(chǎn)品的技術(shù)資料，有關(guān)鋰離子電池的資料，光隔離和充電芯片的資料。</p><p><b>　　3．閱讀文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]K.Hirakawa，A.Measuring and Analyzing Method for Battery Conditions Using a New Field Dat

20、a Collection system，evsl17，2000</p><p>　　[2]MAXIM :Cost-Saving Multichemistry Batter-Charger System，2002</p><p>　　[3]劉美俊，基于AT89C2051單片機的智能充電器設(shè)計[J].集成電路與元器件卷，2004，7：78-79.</p><p>　　[

21、4]鐘偉雄，基于AT89C51 的智能充電器的設(shè)計[J]. 信息技術(shù)，2009，5：31-33.</p><p>　　4．復(fù)習(xí)相關(guān)課程：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 單片機技術(shù)及應(yīng)用 電磁兼容 電力電子</p><p>　　5. 設(shè)計原理框圖和各硬件模塊</p><p>　　四.核心器件及其經(jīng)費預(yù)算</p><p>　　五、要求的實驗條件及落實情況

22、</p><p><b>　　實驗室： </b></p><p><b>　　計算機：一臺</b></p><p>　　測試設(shè)備：示波器，穩(wěn)壓電源</p><p>　　六、課題的難點及解決方法</p><p>　　鋰離子電池易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的

23、充電電壓必須嚴(yán)格限制。為提高充電控制電路對鋰離子電池充電電壓的精確度，采用了內(nèi)部光耦電路，減小了電路內(nèi)部干擾。另外，采用MAX1898配合外部PNP或PMOS晶體管，提高了電壓調(diào)節(jié)精度。</p><p><b>　　七、可能的創(chuàng)新點</b></p><p>　　目前，市場上的充電設(shè)備已經(jīng)具備了體積小、重量輕；自動、快速充電、限流保護、電流短路與反充保護線路設(shè)計，但是無

24、法識別充電時的狀態(tài)。本設(shè)計可以直接顯示出充電狀態(tài)為恒壓充電還是恒流充電。另外，當(dāng)電池充滿以后的自動斷電保護功能，可以有效防止電池的過充，提高了電池的安全性。</p><p><b>　　八、時間安排</b></p><p>　　2010.12-2011.1 收集資料，熟悉鋰電池充電方法的原理和特點，熟悉原有電池充電電路；</p><p>　　3

25、.7 －3.21 (1-2周)設(shè)計模擬調(diào)理電路的整體框圖，查閱各部分設(shè)計的不同方案；</p><p>　　3.22－4.4（3-4周）分析，仿真計算，確定最終實現(xiàn)方案；</p><p>　　4.5 －4.25（5－7周）繪制原理圖及制作PCB板；</p><p>　　4.26－5.23（8－11周）電路焊接調(diào)試，改進(jìn)及測試；</p><p>

26、　　5.24－6.18（12－15周）撰寫論文,準(zhǔn)備答辯。</p><p><b>　　九、主要參考資料</b></p><p>　　[1] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分, 高等教育出版社, 2005, 第五版</p><p>　　[2] 劉樹棠 數(shù)字信號處理，西安交通大學(xué)出版社，2002，第一版</p><p>