1、 1 学号： 200706273 毕业论文 (设计 ) 题目名称： 基于 AVR 单片机的锂电池充电电路设计 题目类型： 毕业设计 学生姓名： 张楚光 院 (系 )： 物理科学与技术学院 专业班级 ： 应用物理 0701 指导教师： 李太全 辅导教师： 李太全 时 间： 2011.1 至 2011.6 2 目 录 毕业设计 (设计 )任务书 . I 毕业论文 (设计 )开题报告 . III 毕业论文 (设计 )指导教师评审意见 . X 毕业论文 (设计 )评阅教师评语 .XI 毕业论文 (设计 )答辩记录及成绩评定 . XII 中文 摘要 . XIII 英文摘要 . XIV 1 前言 .1 1
2、.1 课题研究背景 .1 1.2 充电器功能描述 .3 2 锂离子电池组充电原理 .5 2.1 锂离子电池的电化学原理 .5 2.2 负极枝晶效应 .5 2.3 锂离子 电池充电原理 .6 2.4 锂离子电池充电方案 .7 1.4.1 快速降压转化器 .7 1.4.2 快速调节器操作 .7 1.4.3 快速转换器的电感选择 .8 2.5 智能充电器系统框图 .9 2.6 系统参数设计 .10 3 充电器硬件描述 .10 3.1 Atmega128 介绍 .10 3.2 电源电路 . 11 3.3 充电电路 .12 3.4 电池检测电路 .13 3.5 系统指示灯电路 .14 4 软件设计 .1
3、5 3 4.1 系统软件总体设计思路 .15 4.2 系统主流程 .15 4.3 充电流程设计 .17 4.4 程序设计 .18 5 总结 .25 参考文献 .26 致谢 .27 附录一 系统整体电路图 .28 附录二 PCB 图 .29 I 长江大学毕业 论文 (设计 )任务书 学院（系） 物理科学与技术学院 专业 应用物理 班级 应物 0701 学生姓名 张楚光 指导教师 /职称 李太全 / 副 教授 1. 毕业设计 (论文 )题目： 基于 AVR 单片机的锂电池组充电电路设计 2毕业设计（论文）起止时间： 2011 年 1 月 2011 年 6 月 3毕业设计 (论文 )所需资料及原始数
4、据（指导教师选定部分） 1）单片机原理； 2） Atmega128 数据手册； 3） HIGH-SPEED LITHIUM ION BATTERY CHARGER; 4）其他相关元件数据手册； 4毕业设计 (论文 )应完成的主要内容 1） 锂电池的充电电路的原理 ； 2） 采用 Atmega128 的锂电池组充电电路的分析与设计 ； 3） 充电过程控制软件设计 ； 4） 系统性能测试； 5毕业设计 (论文 )的目标及具体要求 1）掌握锂电池组充电电路的原理； 2）完成 硬件电路的设计与实现； 3）完成充电控制的程序设计和调试 ; 4）提交系统测试报告； 5）完成论文和英文翻译。 6、完成毕业设
5、计 (论文 )所需的条件及上机时数要求 Atmega128 开发板、计算机等。计算机上机时数 200 小时。 II 任务书批准日期 年 月 日 教研室 (系 )主任 (签字 ) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师 (签字 ) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） III 长江大学 毕业 论文 (设计 )开题报告 题 目 名 称 :基于 AVR 单片机的锂电池组充电电路设计 题 目 类 别 : 设计 论文 院 （系） : 物理科学与技术学院 专 业 班 级 : 应物 0701 班 学 生 姓 名 : 张楚光 指 导 教 师 : 李太全 辅 导 教 师 : 李太全 开题报告日期 : 2011
6、年 4 月 9 日 IV 基于 AVR单片机的锂离子电池组充电电路设计 学 生：张楚光 物理科学与技术学院 指导老师： 李太全 物理科学与技术学院 一、题目来源 题目来自 社会生产实践 。 二、研究目的和意义 随着便携式电子设备的发展 ,其对电池性能、 体积、 质量的要求也日益提高 .锂离子电池以高能量密度、 高电池电压、 高循环次数、 体积小、 质量轻等 特性脱颖而出 ,取代传统的镍铬和镍氢电池 ,迅速成为市场主流 . 锂离子电池对充电供电控制和保护电路的要求较高 ,在使用过程中应严格避免出现过充、 过放、 过流等现象 .与镍氢、 镍镉电池不一样 ,锂离子电池必须考虑充电、 供电时的安全性
7、.在过度充电状态下 ,电池温度上升后能量将过剩 ,由于电解液分解而产生气体 ,致使内压上升而产生自然或破裂的情况 ,而在过度供电状态下 ,电解液分解导致电池特性和耐久性劣化 ,降低电池可充电次数 。基于这些因素， 为了对锂电池安全 、 可靠 、 快速 、 高效地充电 ,应该对充电器的智能化 ,稳定 化 ,安全化和高效化提出更高的要求 。 对于 锂离子电 池 组， 在长期充放电过程中 ， 由于电池组内各单体电池 间充电接受能力的差异 、 自放电率的差异 、 容量衰减 速率的差异 ， 电池组内各单体荷电量差距越来越大 呈发散趋势 ， 容易造成电池组内部电池离散性加大 ， 个别电池性能衰减加剧 ，
8、而导致整组电池失效 。 因 此 ， 为了满足电源的长寿命要求 ， 需要采用电池均衡 技术 ， 使电池组内各单体电池电压随着充放电循环的进行收敛至稳定值 ， 确保电池不被过放电和过充 。 三、阅读的主要参考文献及资料名称 1张 洪为 .便携式产品的“心脏”及其护理 J.POWER,2004(4) 2刘云鹏 ,郑冰 .锂离子电池充电器智能管理系统的设计 J. (嵌入式与 SOC),2010(8-2) V 3侯宇 ,王肖 .锂离子电池充电供电保护电路的设计 J. 光电技术应用 2009,24(3) 4马潮，詹卫前，耿德根 .Atmega8 原理及应用手册 M.清华大学出版社 2002. 5江海波 ,
9、王卓然 ,耿德根 .深入浅出 AVR 从 ATMega48/88/168 开始 M.中国电力出版社 6马爱华 ,张晓冬 ,张 伟 . 基于 AVR 的锂电池智能充电器的设计与实现 J. 单片机开发与应用 2009（ 02）， 71-73 7钟伟雄 .基于 AT89C51 的智能充电器的设计 J. 信 息 技 术 2009( NO.05),31-33 8李 凯 ,张 斌 .新型理电池组智能管理模块的介绍 J. 电源技术应用 2006（ 4）， 53-57 9雷 娟 ,蒋新华 ， 解晶莹 .锂离子电池组均衡电路的发展现状 J.电 池 2007(2),62-63 10王青松 ,孙金华 , 陈思凝 ,
10、姚晓林 ,陈春华 .锂离子电池热安全性的研究进展 J. 电 池2005(6),240-241 11韩广欣 ,韩金东 ,张秀军 ,刘兴福 .锂离子电池组均衡充电的研究进展 J. 电池工业 2009(2),65-68 12蒋新华 ,冯毅 ,解晶莹 .锂离子电池组的短路保护电路设计 J. 电 池 2005(12),443-444 13邓绍刚，汪 艳，李秀清 ,黄合宝 .锂电池保护电路的设计 J. 电子科技 2006(10),68-72 14钱金荣 .锂 电 池充电器及其系统优化 J. 基础电子 2010（ 9）， ,43-44 15郝 杰 .高性能锂电池充电器设计方案 J. 中国新技术新产品 200
11、9(8),2 16张方军，徐振 .锂电池的开 关电源式智能管理系统设计 J.电源技术应用 2009（ 8） ,13-18 17李洪，戴永军，李向锋。基于单片机的锂电池充电和保护 J.通信对抗 2004（ 4）， 54-56 18边延凯 ,贾瑞庆 ,田 爽 . 锂离子电池组的均衡控制与设计 N. 东 北电力大学学报 2006(4),69-72 四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 1. 高集成度和高控制精度充电 IC 是主流产品 锂离子电池的充电需要经过恒流和恒压两个过程才能完成，因此充电 IC 的控制精度就特别重要，充电 IC 的精度决定了电池的充电量和寿命。据调 查，目前市场上新推出的锂
12、离子电池充电 IC 大部分都已经达到了 1%的恒压控制精度。 除了高精度的恒压和恒流控制外，充电 IC 还需要电池电压检测、温度检测以及关闭控制等功能用来实现保护作用。而为了适应目前移动设备体积越来越小的趋势，半导体制造商们开始将越来越多的保护功能集成到充电 IC 中。 2.新设计趋向于终端内置充电 IC 该 设计的思路就是将充电 IC 集成在便携设备的 PCB 板上，并且和微控制器结合使用，而外部的充电器则被精简成一个简单的电源适配器。这种设计的好处在于不仅VI 便于制造商控制其设备的充电质量，而且可以减少 便携设备中微控制器和 I/O 接口的使用。 随着锂离子电池充电性能的提高和移动设备的
13、微型化趋势，俗称“旅行充电器”的产品正渐渐成为主流，人们也越来越习惯于使用这种方便轻巧的充电产品。事实上，绝 大部分下一代移动设备都已经将充电 IC 内置在设备之中。 3.智能化是未来的趋势 看似简单的充电控制 IC 正变得越来越复杂，设计师希望充电 IC 不仅能管理充放电过程，还可以带来更多的灵活性。以凌特公司最新推出的充电控制 IC LTC1734 为例，该产品增加了一个多用途的 PROG 管脚。该管脚不仅可以连接微控制器用于充电功能的开关 控制，还可以提供一个与充电电流成比例的电压，使微控制器可以准确地判断出充电进行的情况。 除此以外，许多公司还推出了使用范围更为广泛的智能充电 IC。例
14、如，德州仪器的 bq2057 集成了可编程充电电压 /电流调整功能，并且可以激活深度放电的电池。 五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思 1.锂离子电池的充电过程 锂电池充电需要控制它的充电电压，限制其充电电流 。 锂 电池通常都采用三段充电法，即预充电、 恒流充电和恒压充电 。锂电池的充电电流通常应限制在 1C （ C 为锂电池的容量）以下， 单体充电电压一般为 4.2V，否则可能由于电压过高会造成锂电 池永久性损坏 。 预充电主要是完成对过放的锂电池进行修复，若电池电压低于 3V，则必须进行预充电，否则可省略该阶段，这也是最普 遍的情况 。 在恒流阶段，充电器先给电池提供大的恒定电
15、流，同 时电池电压上升，当电池电压达到饱和电压时，则转入恒压充电，充电电压波动应控制在 50mV 以内，同时充电电流降低，当 电流逐渐减小到规定的值时，可结束充电过程 。 电池的大部分 电能在恒流及恒压阶段从充电器流入电池 。 由上可知，充电器 实际上是一个精密电源，其电流电压都被限制在所要求的范围之内。 图 1 给出 了锂电池充电过程电压电流变化的示意图，可供参考。 VII 图 1 锂电池充电示意图 2.硬件电路实现 利用单片机系统 , 我们就可以构造出一个智能化的锂离子电池智能管理系统。 如图 2 所示， 单片机系统负责控制整个系统的运行 ,包括充电机参考电压电流值的给定 ，充电完毕或者保护状态时充电机的关闭 ,根据电池电压、充电电流、温度等各种参数 来智能监测电池充电状态和实现对电池的一系列保护功能。 图 2 充电 硬件 示意图 降压转化器 降压转换器实际上是使用一个电感器和 /或变压器（如果隔离是理想） 的开关稳压器，作为储能元 件从输入端以离散的数据包转移能量到输出 端。反馈电路，通过晶体管控制能量的转移，晶体管也称为旁路开关， 在电路的负载限制内以保持恒定的电压或电流。
