1、 毕业论文文献综述 通信工程 智能充电器 摘要： 本文主要阐述了四种可充电的电池的原理、性能以及优缺点，还有电池的充电过程、特性和控制方法，智能充电器的几种设计方案。 关键词： 可充电电池；充电过程 1.引言 现代通讯设备、便携式电子产品、笔记本电脑、电动汽车、小卫星等普遍使用蓄电池作为电源 ,应用非常广泛。然而大多数设备中的蓄电池 ,只能使用专用的充电器 ,而且普通的充电器大多充电时间长 ,无法判断其充电参数和剩余的充电时间。 而所谓智能充电器，是指能根据用户的需要自主选择充电方式，并且在充电过程中能对被充电的电池进行 保护，从而防止过电压、电流和温度过高的一种智能化充电器 1。所以对于智能
2、型的充电器而言，它有了这方面的优势相对于普通的充电器，可以对不同类型以及不同参数的电池进行一次性地比较统一的利用。当你出门在外，面对繁琐的电子产品时，你只需要携带一种充电器，就可以把多种电子产品集成化，免去了携带多种充电器的烦恼。这就是我要用单片机所设计的智能充电器，帮助大家解决生活上的烦恼。 2.可充电的电池 可充电电池具有较高的性能价格比、放电电流大、寿命长等特点，广泛应用于各种通信设备、仪器仪表、电气测量装置中。 目前，较多使用 的电池有镍镉（ Nicd）、镍氢（ NiMH）、锂电池和铅蓄电池，由于它们各自的优缺点使得它们在相当长的时期内将共存发展。根据不同类型的电池的充电特性不同，目前
3、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，这在实际使用中有诸多不便。 单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜的优点，已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广泛的发展前景。单片机技术的应用，使得很多技术水平和自动化程度得以大大提高 2。 2.1 常用的可充电电池 现在对不同种类的可充电的电池进行介绍： 2.1.1 镍镉电池： 镍镉电池（ Ni-Cd， Nickel-Cadmiun Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery）是最早应用于手机、超科等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。镍镉
4、电池可重复 500 次以上的充放电，经济耐用。它的内部抵制力小，既内阻很小、快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。但是镍镉电池中的镉对环境的危害特别大，由于人们使用充电电池的不得当，以及镍镉电池的“记忆效应”更使其寿命大大缩短 3。 一般使用以下反应放电： Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2 充电时反应相反。 镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得服务寿命大大缩短。 2.1.2 镍氢电池： 镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多 30%，比镍镉电池更轻，使用
5、寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。其充电时化学反应如下： 正极反应： Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2O + e- 负极反应： M + H2O + e- MH + OH- 电池总反应： M + Ni(OH)2 MH + NiOOH4 2.1.3 锂电池 锂电池（锂原电池）和锂离子电池是 20 世纪开发成功的新型高能电池。锂原电池的负极是金属锂，正极用 MnO2， SOCL2， (CFx)n 等。其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长，无记忆效应，快速充电等优点。其电池的反应方程有多种，以 MnO2 为例： 正极
6、上发生的反应为 LiCoO2=充电 =Li1-xCoO2+Xli+Xe(电子 ) 负极上发生的反应为 6C+XLi+Xe=LixC6 电池总反应： LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC65 2.1.4 铅蓄电池 常用的充电电池除了锂电池之外，铅酸电池也是非常重要的一个电池。它的优点是放电时电动势较稳定，缺点是比能量（单位重量所蓄电能）小，对环境腐蚀性强。铅蓄电池的工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广泛。 铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下： 正极： PbO2 + 2e + SO4 2- + 4H
7、+ = PbSO4 + 2H2O 负极： Pb -2e + SO4 2- = PbSO4 电池总反应： PbO2 + 2 H2SO4 + Pb = 2 PbSO4 + 2H2O6 2.2电池充电特性 对于镍镉电池来说，当恒定电流刚充入放完电的电池时，由于电池内阻产生压降，所以电池电压很快上升。此后，电池开始接受电荷，电池电压以较低的速率持续上升。在这个范围内，电化学反应以一定速率产生氧气，同时氧气也以同样的速率与氢气化合，因此，电池内部的 温度和气体压力都很低。 经过一些时间后，电解液中会产生气泡，这些气泡聚集在极板表面，使极板的有效面积减少，所以电池的内阻抗增加，电池电压开始较快上升。这是接
8、近充足电的信号。充足电后，充入电池的电流不是转换为电池的贮能，而是在正极板上产生氧气超电位。氧气是由于电解液电解而产生的，不是由于氢氧化镉还原为镉而产生的。在氢氧化钾和水组成的电解液中，氢氧根离子变成氧、水和自由电子。虽然电解液差生的氧气能很快在负极板表面的电解液中复合，但是电池的温度还是显著升高。由于从大量的氢氧离子中比从很少的氢氧化镉中更容易分解出氧 气，所以电池内的温度急剧上升，这样就使电池电压下降。电池的电压于是曲线 出现峰值。 镍氢电池的充电特性与镍镉电池类似，充电过程中两者的电压、温度曲线相似。可以看出，充点终止时，镍镉电池电压下降比镍氢电池大得多。当电池容量达到额定容量的 80%
9、以前，镍氢电池的温度缓慢上升，当电池容量达到 90%以后，镍镉电池的温度才很快上升。当电池基本充足电时，镍镉/镍氢电池的温度上升速率基本相同。 2.3充电过程与充电方法 电池的充电过程通常可分为预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。下面对于四个阶段进行 解释。 对于长期不用的或新电池充电时，一开始就采用快速充电，会影响电池的寿命。因此，这种电池应先用小电流充电，使其满足一定的充电条件，这个阶段成为预充电。 快速充电就是用大电流充电，迅速恢复电池的电能。快速充电速率一般在 1C以上，快速充电时间由电池的容量和充电速率所决定。 为了避免过充电，一些充电器采用小电流充电。镍镉电池正常充电时，
10、可以接受 C/10 或更低的充电速率，这样充电时间要 10h以上。采用小电流充电，电池内不会产生过多的气体，电池温度也不会过高。当电池接到充电器上低速率恒流 充电器就能对电池提供很小的涓流充电电流。电流采用小电流充电时，电池内产生的热量可以自然散去。 涓流充电器的主要问题是充电速率太慢，例如，容量为 1Ah的电池，采用 C/10充电速率时，充电时间要 10h以上，此外，电池采用低充电速率反复充电时，还会产生结晶。大部分涓流充电器中，都没有任何电压或温度反馈控制，因而不能保证电池充足电后，立即关断充电器。 7 3.充电器的充电终止控制技术 不同的电池应采用不同的充电控制技术。常用的控制技术有：定
11、时控制、电压控制和温度控制等。 8 3.1定时控制 根据电池的容 量和充电电流，很容易确定所需的充电时。这种控制方法最简单，但由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不足，有的电池过充电。因此只有充电速率小于 0.3C 时，才使用这种方法。 3.2电压控制 在电压控制中，最容易检测到的是最高电压。常用的电压控制方法有： 最高电压（ Vmax）：从充电特性曲线中，电池电压达到最大时，电池即完成充电。 电压负增量（ V）：电池电压的负增量与电池组以及环境温度没有关系，可以准确判断电池已经充满电，适用于镍镉电池。 电压零增量（ 0 V）：电池电压在某一段时间内变化很小，适用于镍氢 电池。 3.3
12、温度控制 为了避免损坏电池，电池温度过低时不能开始快速充电，电池温度上升到规定数值时，必须立即停止快速充电。 4.充电器的几种常见设计方案 智能型充电器的硬件设计，主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器（ 它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波形 ,通过改变脉冲列的周期可以调频 ,改变脉冲的宽度或占空比可以调压 ,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整 PWM 的周期、 PWM 的占空比而达到控制充电电流的目的 9。 ）和电池组等，形成了一个闭环系统。 4.1MPU 与 LTC1325 组成的智能充电器 LTC1325 是一种高性能充电控制器 IC，和
13、外部微处理器配合，外接少量元件即可组成多功能充电器。它采用串行接口和 uP 通信，充电前可先让电池放电，充电过程中，可以监控充电量、电池温度、电池电压、充电时间等参数，以达到最佳的充电效果并延长电池的寿命。 LTC1325 是单片 CMOS 快速充电控制器，它可以对镍镉、镍氢、铅酸和锂电池进行充电控制。该器件内含可编程 111KHZ 的 PWM 恒流源控制器、 10 位 ADC、内部稳压器、充电前放电控制器、可编程电池电压衰减器、可编程 电池电压衰减器和串行接口，工作电压为 4.5 16V，使用非常方便10。 4.2用 VHDL设计实现 用 VHDL 设计主要是利用有限状态机来实现。用状态机来
14、控制 A/D 采样，包括将采得的数据存入 RAM。用 FPGA 代替 PWM 信号发生器输出 PWM 波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。对蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别进行 A/D 转换。数字信号送入 FPGA，由 FPGA的有限状态机对数字信号进行分析和处理。最后 FPGA 调整 PWM 输出信号的占空比。 这个 PWM 信号送给开关电源开关管，使调节的开关管在一 个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，来实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。当蓄电池充电满后，单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池充电。 总结：方案（ 2）需要的成本最
15、高，编写 VHDL 程序复杂，在此不选用这种方案。方案（ 1）成本比方案一略高一点，易于接受，而且编程没有那么的复杂，在本次设计选择此方案。 5.结束语 智能型充电器的使用非常方便和简单，可以帮助大部分人解决不同电池的充电烦恼。它简单的设计结构以及多用途的方式可以帮助它走进千家万户。 参考文献： 1董文博，吴知非 .数字化智能充电器的设计 EB/OL，2010-10-26.http:/ 2杨恢先，黄恢先 .单片机原理及应用 M.北京：人民邮电出版社， 2006， 10. 3周玲凯 .基于单片机的镍镉电池容量恢复仪兼充电器 J.电子世界， 2010， 4， 32（ 4）： 31 33. 4王鸿麟
16、，钱建立，周晓军 .智能快速充电器设计与制作 M.北京：科学出版报社， 1998， 5， 56. 5路秋生 .常用充电器电路与应用 M.北京：机械工业出版社， 2004， 8， 7 8. 6铅蓄电池 EB/OL,2010-10-26.http:/ 7许炜，肖和飞，徐金凤 .智能充电器EB/OL,2010-10-26,http:/ 8智能充电器 EB/OL， 2010-10-26.http:/ 9刘宝忠，刘培德 .PMW 技术在单片机控制智能充电器中的应用 J.今日电子， 2005， 12， 18（ 12）：76 77. 10王鸿麟，钱建立，周晓军 .智能快速充电器设计与制作 M.北京：科学出版报社， 1998， 5， 133134. 11LenK John D.Simplified design of micropower and battery circuitsM Boston:Butterworth-Heinemann,1996,57-61. 12Park Hae-Woo,Han Chang-Seok.Ni-MH battery charger with a compensatorforelectric vehicles P SAE 960477， 1996.
