1、 本 科 毕 业 设 计 车载手机充电器设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 随着能源、环保问题的日益突出，汽车上的车载能源越来越受到重视，要完全用动力电池代替传统的汽油，除了改进电池性能外还要发展完善的辅助充电 设备，因而研制一种方便、快捷、高效的充电器是必不可少的。 本文的目标就是设计一个体积小、质量轻，能为不同手机电池进行充电的车载手机充电器。论文首先对充电器的发展史和目前国内外的充电器动态进行了介绍，接下来对常用的蓄电池种类、特性以及手机充电方法进行了简单明了地介绍，也对充电器的控制方法进行了介绍。接下来本文对充电器的总
2、体结构进行了探讨和设计，本文采用芯片 MC34063 作为降压芯片，控制方式为电压型，恒压恒流涓流的充电方法。接下来本文对这种控制方式和充电方法的原理，存在的问题进行了深入的研究，对问题的根源进行 了分析，得出了比较好的解决方法。随后，本文对车载手机充电器进行了实物的设计，设计内容包括两部分，分别是充电电路设计和时间显示电路设计，能实现任务书上所涉及的设计要求，包括充电器 自动启动充电和自动停止充电，充电时间显示， 还有计时功能，即当 停止充电后，计时也随即停止 。 本文研究的车载手机充电器有较高的实用价值，并且为今后继续深入研究积累了很多的实践经验，有较高的研究价值。 关键词 ： 降压；控制
3、方法；驱动；单片机 II Abstract In pace with the worse of energy and environmental problems, vehicle-mounted recharger becomes increasingly important. In order to totally use dynamic battery instead of petrol, we have to improve the battery performance as well as perfecting charging devices. In consequence, i
4、t is necessary to develop a convenient, rapid, and efficient recharger. The thesis aims to design a small, light vehicle-mounted recharger which can charge for different cell phone battery. Firstly, thesis make a brief introduction of rechargers history; Then introduce some common types of storage b
5、attery, features and cell phone charging methods as well as controlling ways of recharger.To decrease the volume and weight, this paper focuses on overall structure of recharger in the following paragraphs. Apply for MC34063 as Voltage regulator, voltage type as control mode and CCCV as charge metho
6、d, the paper make a deep research of theirs principles and existing problems. Finally thesis draws a better solution.On the next step, this paper takes place a physical design of vehicle-mounted recharger. One part for charging circuit design, the other part for time display circuit design with tota
7、lly realization of task mission on the design assignment: Including automatically turn on and turn off function, current and charging period display, function of timer- it means when stop charging, timer is also switch off. The vehicle-mounted recharger with high practical value, it provides a amoun
8、t of experience for intensive study in the near future. Key word ： Step-down； Control Method； Driver； MCU III 目录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题的提出 . 1 1.1.1 充电器的发展现状 . 1 1.1.2 充电器的发展趋势 . 1 1.1.3 充电器的种类 . 1 1.2 电池特性及常用充电方法介绍 . 2 1.2.1 常用蓄电池的电池特性及各自特点 . 2 1.2.2 常用充电方法介绍 . 3 1.3 车载充电器控制方法概述 . 5 1.3.1 常用的控制方式分析 .
9、 5 1.3.2 本设计采用的控制方式 . 5 1.4 车载手机充电器的使用方法 . 6 1.5 本文的研究内容和论 文结构 . 6 第 2 章 车载手机充电器的设计方案 . 7 2.1 系统的主要设计要求和指标 . 7 2.2 设计方案比对 . 7 2.3 系统工作流程图 . 8 2.4 充电方法选择 . 8 2.5 充电结束控制方法的确定 . 9 2.6 判断电池是否处于充电状态 . 9 2.7 本章小结 . 9 第 3 章 车载手机充电器的硬件设计 . 10 3.1 充电电路 . 10 3.1.1 降压电路 . 10 3.1.2 输出极性交换电路 . 12 3.1.3 恒流控制电路 .
10、13 3.1.4 涓流控制电路 . 15 IV 3.1.5 恒压控制电路 . 16 3.2 时间显示电路 . 18 3.3 本章小结 . 23 总 结 . 24 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 25 附 1 实验总电路图 . 26 附 2 总电路 PCB 图 . 27 附 3 实物图 . 28 附 4 单片机程序 . 29 附 5 器件清单 . 31 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题的提出 随着社会的发展，对能源问题、环境问题要求越来越高的情况下，汽车工业的发展也出现了一系列的问题，主要的问题集中在车载能源问题上，改进电池特性是一个漫长的过程，那么在车载电池能量不足时，需要
11、用充电设备及时地对电池充电。 本文就是基于这样一个背景，以车载手机充电器为研究对象。对控制方法进行了研究，并对系统进行了设计。 1.1.1 充电器的发展现状 随着汽车技术的发展，在电池能量有限的情况下，研制一种快速能为电池补充能量的充电设备，是必不可少的。目前，国内外充电设备大体可以分为两种，即接触式和感应式 1,2。 接触式充电器是通过金属连接器将汽车与充电器和公共网络连接，以达到传递能量的目的。这种方式的能量传递优点在于能量传递效率高，结构简单而造价低，目前很多汽车厂商开发的充电器均采用这种方式。但这种方式的缺点在于它的安全 性与通用性。 感应式充电是近年来兴起的一种利用高频变压器将公用电
12、网与汽车相隔离的充电方法。由于感应式充电器与汽车之间没有任何金属的接触，所以使得汽车的充电通用性好，且更为安全可靠。这也就是接触式充电器与感应式充电器的区别之所在。目前美国和日本的很多汽车厂商所开发的充电器都是采用这种形式，但这种方式的缺陷在于体积非常庞大。 根据手机充电器是否适合安装在汽车上 3，又可以把充电器分为非车载手机充电器和车载手机充电器两种。本文主要研究是车载手机充电器，能为不同类型的手机电池充电。它的特点主要是有较为简单的充 电方式，但有较长的充电时间。但受限于车上的空间，尽量要求所设计的车载充电器做到体积小、重量轻。 目前我国市场上的一些充电器的控制电路的主题仍然是模拟电路，外
13、围器件多，且电路复杂，可靠性并不高。因而，充电器作为汽车重要的辅助充电设备，对它的研究还是有很大的发展空间的。 1.1.2 充电器的发展趋势 车载充电器的改进方向主要是小型化、快速化和智能化 4。 1、 小型化：尽量减小整个系统的体积，充分利用数字化技术，通过高频率的方法，选用新型功率器件和充分利用数字化技术。 2、快速化：根据电池的特性，选择最优充电 曲线进行充电，加快充电速率，减少充电等待时间。 3、智能化：主要表现可以按照用户设定的充电曲线为电池进行充电，也可以根据电池种类自动选择优化充电曲线；当充电设备出现故障时，具有系统故障保护功能，及时切断电源。 1.1.3 充电器的种类 目前手机
14、充电器主要分为座式、旅行式、车载等 5。 座式：这类充电器的形状一般是双槽，一次性能为两节电池进行充电，除了用户正在给手机上的电池进行充电外，还可以再充一块电池。但座式的缺点在于充电时间较长。 旅行式：这类充电器携带方便，对于经常出外旅行的人来说比较适合。在现在大多数 手2 机标准配置中只有旅行式。其对电池充电的效果和座式是一样的。 车载：这类充电器使用户方便在汽车上为手机充电，是汽车重要的车载能源。但 手机不宜长时间在汽车中充电，不然就会造成手机损坏 。 1.2 电池特性及常用充电方法介绍 随着日益发展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高，目前市场上常用的充电电池有四
15、大类，分别是铅酸蓄电池 6、镍镉电池 7、镍氢电池 8和锂离子电池 9。下面首先对这些电池进行介绍没然后多常用的充电方法进行研究。 （表中 C 为电池的标准容量，单位为 AH（安时）， A 表 示充电恒流恒压） 表 1.1 电池特性表 比较项目 铅酸蓄电池（ SLA） 镍镉电池 （ NI CD） 镍氢电池 （ NI MH） 锂离子电池 （ LI ION） 能量密度（ Wh/kg） 30 40 60 100 循环寿命（次） 300 800 500 800 工作温度（ C） 035 045 040 050 最大充电电流（ A） 0.25C 2C 1C 1C 充电方式 恒流后恒压 恒流 恒流 恒流后
16、恒压 充电时间（小时） C/A+2hours C/A+20% C/A+20% C/A*2 1.2.1 常用蓄电池的电池特性及各自特点 1、铅酸蓄电池 对于 SLA 电池来说，充电方式可选用 2.27V/单元的恒压充电，这种方案优点在于既不会过充电池，也有利于稳压设备电压，对于要经常离线充放电实用 SLA 电池的场合，应该实用先 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，整个充电时间大约为 8 到 10 小时。 2、镍镉电池 NI CD 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既经济又实惠。 NI MH 电
17、池对过充电较为敏感，即使使用 0.1C 的电流，如 果充电超过 14 个小时或对已充好的电池再充几个小时，对电池的寿命都有较大的损害，电池充好时应及时关断电流或将充电电流降低到 0.02C 以下进行涓流控制，即使对 0.1C 夜间慢充型 NI MH 充电器也是如此。最大充电电流达到 2C 3C 左右的智能型快速充电器已经有很多成功的案例：这类充电器一般都必须在充电进程的各个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引起的过温过压风险降低。 3、镍氢电池 NI CD 和 NI MH 两类电池的充电特性非常相似，只是 NI MH 电池在充电 过程中
18、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，在充电器技术和成本都有一定的提升，但是3 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。 4、锂离子电池 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%）；由于锂离子电
19、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；对于不同电器产品的应用，锂离子电池（包含锂聚合物电池）都会内置有充放电保护电路，以便更安全使用及保护电池不发生意外。 1.2.2 常用充电方法介绍 影响蓄电池的寿命主要有两个因素：电池质量和充电控制方法。长期以来人们都对便携式充电设备有一定的研究。快速充电的控制方法始终是一个比较重要的问题。长期以来，人们不断地对充电方法进行研究和改进。接下来介绍几种主要的传统的充电 方法 10： 1、 恒压充电控制方式 图 1.1 恒压方式充电曲线 恒压充电控制方式是最基本的控制方式。充电电压与充电电流关系如上图 1.1 所示。开始时，有
20、一 个期望电压值，当开始充电后，随着充电的不断进行，充电电流减小；在小于一定值后，充电过程也随之结束。 恒压充电控制方式的最大优点在于控制比较简单，但由于假设的恒压值和待充电电池的初始电压之间存在较大误差，导致在开始时有很大的充电电流，然而电流过大会使电池板发热，严重时会使电池损坏。因此保护措施一定要加在充电开始阶段，以制约电流的最大值。 2、 恒流充电控制方式 图 1.2 恒流方式充电曲线 恒流充电控制方式非常流行于现在工程上。其控制过程可根据图 1.2。开始时，充电器以较大的恒定电流为电池进行充电，当电池即将充满时，需改用较小的恒定电流为电池充电，4 也就是进入涓流控制阶段，涓流的作用是
21、用来补充蓄电池自放电所消耗的能量 。其充电速率相对来讲都比较低。根据充电率的大小，又 可分为下面几种情况： 标准充电：其充电率在 0.1C 上下，大约充电时间在 14 小时左右； 涓流充电：又称浮充充电，其充电率在 C/50 以下； 快速充电：其充电率在 0.3C 以上，充电时间大约在 3 小时左右。 这种方式的特点是，可避免电流过大的问题，将电流限制在某一个恒定值，但由于电流不能调节，一定程度上会影响充电速度。 3、恒流恒压充电方式 图 1.3 恒压恒流方式充电曲线 这种充电方式建立在上面两种基本充电方式优点基础上，在最初阶段采用恒流控制，当充电达到一个程度后采用恒压控制，这种形式的充电方式
22、也是实际中常用 的，如图 1.3 所示。 前面三种充电方式均采用是连续充电的充电电流模式，它们共同的问题在于，连续充电的充电电流会使蓄电池产生副反应，且发生极化现象，不仅缩短电池寿命，也会使充电电流的增加受到限制，这也是充电速度受限的根本原因 11,12。因此在充电过程中，假如能够使极化现象不发生，使实际的充电电流始终等于或近乎于蓄电池可以承受的最大电流，那么能大大加快充电速度，而且也能使析气率控制在很低的范围。下面提出的两种充电方法均采用断续的电流作为电池充电，目的是为了解决极化现象，提高充电的速度，经过长期的调研得出这样 的充电方式能取得更好的充电效果。 4、脉冲充电方式 图 1.4 脉冲
23、充充电方式曲线 5 脉冲充电方式的最大特点在于其利用脉冲充电截止时，可为电池提供了一定 的休息时间，让电池的电化反应能获得充分的中和时间，增加了电池的使用寿命。其充电方式如图 1.4 所示。由于电池有了充分的充电休息时间，且在充电时为其提供了接近电池可以接受的最大脉冲峰值电流，这样就加快了充电速度，从而减短了充电时间。 5、 REFLEX 充电方式 图 1.5 REFLEX 充放电方式 这种方法建立在上一方法的改进之上，在充电过程进行中，不仅提供正方向充电脉冲，而且提供反方向放电脉冲。在一个 Ts里，先是用 Tp的时间提供正向脉冲电流 Ip，在延迟 Tdelay1后，在接下来的 TN里，提供反
24、向的放电脉冲 IN，放电结束后延迟 Tdelay2，等待下一个周期的开始。其充电方式如图 1.5 所示。 放电脉冲主要目的是将充电过程中产生的气泡移走，帮助极板和电解液进行中和效应。这种反极化作用可以降低充电过程中电池的应力、温度、异己内阻抗。使得充电能量完完全全转化成电池能量，提高了充电效率，同时缩短了充电时间，延长了电池寿命。 1.3 车载充电器控制方法概述 为了能精确对电池进行充电且根据充电控制曲线进行，设计一个高质量的直流电源是必不可少的。现在市场上常用的电源大致可分为两种，即线性电源和开关电源两类。线性电源优点在于功耗大， 但缺点是效率低且体积大，不适合大功率的输出。同线性电源相比较
25、，当输出功率相同时，开关电源的散热要小得多且效率高，因而本文所采用的是开关电源方式。 1.3.1 常用的控制方式分析 根据不同的控制方式，开关电源又可分为两种，即电流型和电压型 13， 14。电压型控制方式只能检测出输出电压，并对其直接进行控制，系统只有一个反馈系统。电流型控制方式的特点是能同时对输入电流和输出电压进行控制。系统具有两个反馈系统，一个是对输出电压进行检验，一个是对流过功率管的电流进行检测。 1.3.2 本设计采用的控制方式 本文采用的 控制方式是电流型，输入 12V 电压后通过芯片 MC34063 进行降压，同时控制输入电流和输出电压。在此系统中有两个反馈系统，一个检测输出电压，一个检测流过的电
