1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 锂电池智能充电器的设计与实践 摘要： 近年来，随着笔记本电脑、 PDA，无绳电话等大功耗大容量便携式电子产品的普及，其对电源系统的要求也日益提高。锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点，成为便携式电子设备的理想电源。为此，研发性能稳定、安全可靠、高效经济的锂电池智能充电器显得尤为重要。本文讲述了各种不同充电方式的锂电池智能充电器设计与实践。 关键词： 锂电池；充电器；智能；充电方式 1.前言 锂电池具有体积小、能量密度 高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点，成为便携式电子设备
2、的理想电源。近年来，随着笔记本电脑、 PDA，无绳电话等大功耗大容量便携式电子产品的普及，其对电源系统的要求也日益提高。但锂电池的不足之处在于对充电器的要求比较苛刻，对保护电路的要求较高。其要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度 (精度高于 1 )。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电终止检测除电压检测外。还需采用其他的辅助方法作为防止过充的 后备措施，如检测电池温度、限定充电时间，为电池提供附加保护等。为此，研发性能稳定、安全可靠、高效经济的锂电池智能充电器显得尤为重要。 2.主题部分 2.1锂
3、电池简介 锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点。与镍镉、镍氢电池不太一样 , 锂电池必须考虑充电、放电时的安全性 , 以防止特性劣化。由于锂离子电池能量密度高 , 在过度充电状态下 , 电池温度上升后能量将过剩 , 于是电解液分解而产生气体 , 因内压上升而发生自燃或破裂的危险 ; 反之 ,在过度放电状态下 , 电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化 , 从而降低可充电次数。为了有效地利用电池的容量和延长电池寿命 , 必须极为严格地控制其充电参数。 2 2.2锂电池充电特性 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，
4、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
5、所要求的范围之内。 2.3锂电池充电方式 2.3.1 线性充电方案 (CC/CV) 图 2-1 所示为恒定电流 /恒定电压 (CC/CV ) 线性充电电路示意图。这种类型 的充电器具有低成本 , 低噪声 , 小尺寸等特点。只需少量廉价小巧的外部元件。如图所示 , 充电源可以是一个低压非稳定的电源 (对于单电池应用典型为 5 V 到 6 V )。图中 R s 是电流采样电阻 , 用来监测充电电流的大小。充电控制芯片通过控制一个外部 P-FET (也可以使用双极性晶体管 ) 来调节充电电压和充电电流。图 2-2 是锂电池的 CCCV 充电曲线。 图 2-1 线性充电示意图 如图所示 , 整个充电过
6、程分为三个阶段。第一阶段为预充电 (PREQUAL IF ICA T ION ) 阶段。充电控制芯片首先检查电池 , 以便确定是否有电池接入 , 以及对电池快速充电是否安全。如果电池电压低于 2.5 V , 1 C (C 代表电池容量 ) 的充电会对电池造成永久性的损害。 3 图 2-2 线性充电曲线示意图 此时 , 充电器通常是以大约 C/15 量级的电流对电池进行涓流充电 , 直到其电压上升到规定门限。一旦电池通过检查 , 便开始第二阶段 , 即恒流 (CC) 充电阶段。充电控制芯片便调节 FET 从充电电源提供一个恒定的充电电流给电池充电。线性式充电器在对电压比较低的 电池充电时的缺点是
7、明显的。因为充电器本身只是单纯地使用 FET 从 AC A dapter 直接降压至电池电压 , 因此 : FET 功率消耗 = (充电源电压 -电池电压 )*充电电流 举例而言 , 若充电电源 5 V , 以 1 C 电流对 1200 mAh, 电压 3V 的电池充电 , 则 FET 的功率消耗为 2.4W。 图 2-2 中的充电曲线仅仅是示意图 , 恒流充电阶段 (con stan t cu rren t) 时电池电压实际上并非线性上升。随着电池电压在恒流充电下不断上升 ,FET 的功率耗散会降下来。充电控制芯片持续调整 FET 提供恒定电流直到电池电压达到恒压门限 VCV (碳阳极电池为
8、4.1 V , 石墨阳极电池为 4.2 V )。 当电池到达恒压门限 V CV时 , 实际的充电量接近其容量的 40% 至 70% , 为了进一步充满电池 , 充电器调节 FET 提供一个等于 V CV的恒定电压 , 即进入恒压 (con stan t vo ltage) 充电阶段。在 CV 周期中 , 监视充电电流来确定充电结束。当充电电流逐渐下降到低于电池的 0.1 C 或安全定时器到时 , 充电周期完成。 2.3.2 脉冲充电方案 除了充电源和充电终止方式外 , 脉冲充电和线性 (CCCV ) 充电方式很相似。它具有和线性充电器相同的优点 , 并且因为其在充电时外部 FET 工作在非饱和
9、区 , 作为开关管使用 , 因此其功率损耗比线性式充电器小了许多。脉冲充电器需要一个非稳定 , 限流性的充电源。图 2-3 给出了典型的脉冲充电器电路示意图 , 图 2-4 为锂电池脉冲充电曲线示意图。 4 图 2-3 脉冲充电电路示 意图 图 2-4 脉冲充电曲线示意图 如图所示 , 脉冲充电也分为三个阶段。前两个阶段与线性充电方式一样 , 分别为预充电阶段和恒流充电阶段。一旦电池电压达到 V CV , 充电器开始进入第三阶段 , 即脉冲充电阶段。类似于线性充电器 , 恒流充电阶段电池会达到满容量的 40% 至 70% , 而在脉冲充电阶段注满电池。电池电压达到 V CV 后 , 充电器保持
10、 FET 继续导通 tON时间 , 然后关闭 FET , 切断充电电流 , 充电源电压被拉回到开路电压。 这种状态一直保持到电池电压回落到 V CV , 充电器再次导通 FET 持续 tON时间 , 然后再关闭 FET 直到电池电压回落到 V CV。这种循环一直重复到脉冲充电占空比 tON /( tON + tOFF ) 低于 5% , 然后脉冲充电终止。 脉冲充电需要一个限流等于期望充电率的充电源。脉冲充电器也可以设置采样电阻检测充电电流 , 如果充电电流超出规定值则可以关闭充电通路。它不能象线性充电器那样调节充电电流 , 如果没有设置采样电阻检测充电电流 , 那就只能依靠锂电池包中的保护电
11、路对电池组进行保护。 小结： 一般 的充电器在开始充电时是用恒流充电，以便用较大的电流提高充电的效率。待到电池快充满时，改用恒压充电，这个电压的恒压值，就是电池充满时的端电压值 达5 到了这个电压，电池的端电压与充电器的输出电压完全相等，你就是再继续充电，也充不进电了。这样做的目的，是为了防止电池被过充电。 线性充电器 具有低成本 , 低噪声 , 小尺寸等特点，只需少量廉价小巧的外部元件。充电分预冲、恒流、恒压三个阶段。除了充电源和充电终止方式外 , 脉冲充电和线性 (CCCV ) 充电方式很相似。它具有和线性充电器相同的优点 , 并且因为其在充电时外部 FET 工作在非饱和区 , 作为开关管
12、使用 , 因此其功率损耗比线性式充电器小了许多。 脉冲充电也分为三个阶段。前两个阶段与线性充电方式一样 , 分别为预充电阶段和恒流充电阶段。一旦电池电压达到 V CV , 充电器开始进入第三阶段 , 即脉冲充电阶段。普遍充电器采用 脉冲充电的方式，一般采用恒压充电比较少见。 2.4 锂电池充电器的硬件设计方案 2.4.1 基于 52单片机的锂电池充电器 1）系统结构框图 系统硬件电路由单片机电路、电压转换及光耦合隔离电路、充电控制电路三部分组成。通过单片机的控制实现预充、快充、满充 、断电、报警等充电过程。 图 2-5 系统结构框图 2） 52 单片机电路原理图 单片机芯片为 Atmel 公司
13、的 AT89C52 单片机， B1 为蜂鸣器，单片机的 P2.0 口输出控制光耦器件，可以在需要时及时关断充电电源。 6 图 2-6 52 单片机电路原理图 3）充电电路控制部分 充电状态输出引脚 /CHG 经反相器 74LS04 后与单片机的 P3.2 口连接，触发外部中断。PNP 为 P 沟道的场效应管或三极管。 D1 为绿色发光二极管 ，处于通电状态时亮； D2 为红色放光二极管，电源接通时亮。 R1 设置充电电流的电阻，阻值为 2.8 千欧，设置最大充电电流为 500mA;C2 为设置充电时间的电容，容值为 100F，设置最大充电时间为 3 小时。 本设计中所采用的 AT89C52 单
14、片机和充电集成电路进行充电器的设计，不但能够实现对锂电池进行充电，而且还能够实现相应的过压和温度保护，从而可以充分发挥锂电池的性能，并避免了充电器在充电时可能对电池造成损害的情况发生，具有一定的智能功能。该方案有效地保护了电池、缩短了充电时间并尽量延长锂电池的使用寿命，符合目前的 环境保护潮流。 7 图 2-7 充电电路控制部分 2.4.2 基于 AVR 的锂电池智能充电器 该系统在电路设计上主要由单片开关电源、控制电路及保护电路三部分组成。 1）单片开关电源 单片开关电源负责将电能转化为电池充电所需要的形式，构成了充电器的主要功率转换方式。与传统线性充电器大损耗、低效率的缺点相比，由美国 P
15、ower Integrations 公司的TNY268P 构成的单片开关电源，其输入电压范围宽 (85265VAC)、体积小、重量轻、效率高，其有调压、限流、过热保护等功能，特别适合于构成充电电源。其原理图如图 2-8 所示。 图 2-8 单片开关电源 2） 控制电路 单片机负责控制整个系统的运行，包括充电电流电压值的设定，电流电压的检测与调整，8 充放电状态的显示等。与专用充电控制芯片相比，单片机控制系统不仅不受电池组容量大小的阻将电流转换为电压进行的，因此其 PWM 控制调整过程与恒限制，还可通过软硬件配合实现更灵活的综合控制，也便于进一步的后续开发。 系统控制选用 Atmel 公司的 A
16、VRATTINY261来实现，控制框图见图 2-9。 ATTINY261采用 AVR RISC 结构，其大部分指令执行时间仅为 1个时钟周期可达到接近 1MIPS/MHZ的性能； 11路 lObitADC。且 15对具有可编程增益的 ADC 差分通道，精度高达 2.5mV 的内置 2 56V 基准源， 3个独立 PWM 发生器，片上温度传感器，足以满足设计需求。 图 2-9 系统控制结构框图 3）保护电路 由于锂电池的化学特性，在使用过程中，其内部进行电能与化学能 相互转化的化学正反应。但在菜蝗条件下如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧则会严重影响锂电池的性
17、能与使用寿命，甚至会引起爆炸而导致安全问题，因此锂电池保护电路显得至为重要。 如图 2-10 所示，该电路选用精工的多节锂电池保护芯片 S8233构成，可对电池电压和回路电流进行有效监测，并通过对 MOS 管 FET-A 或 FET-B 的控制在某些条件下关断究、放电回路以防止对电池发生损害。与其它电池保护芯片如 S8254相比较， S8233还可通过外接 MOS 管 FET1， FET1及 FET3来保 证锂电池组的充电平衡，这是其它类似芯片所不具备的优点。通过单片机对 S8233芯片 CTL 端子的控制，可实现对锂电池的故障保护。 9 图 2-10 电池保护电路 设计了一种基于 ATTIN
18、Y261单片机 PWM 控制的单片开关电源式锂电池充电器，有效地克服了一般充电器过充电、充电不足、效率低的缺点，实现了对锂电池组的智能充电，达到了预期效果。该方案设计灵活，可满足多种型号的锂电池充电需求，且 ATTINY261集成化的闪存使其便于软件调试与升级。 小结：采 用单片机作为控制电路，可以使用 52单片机或是 AVR 单片机，但是 AVR 单片机集成度高，有自带的 AD 功能，可以采集电压，能够实现更多的控制。 2.5 锂电池充电器的软件设计 软件设计由 C 语言和汇编语言共同完成，图 2-11 为系统主流程，它包括初始化函数、电池检测函数、预冲电子程序、快速充电子程序和涓流充电子程
19、序，该流程图给出了软件的执行时序。 10 图 2-11 系统主流程图 3.总结部分 性能稳 定、安全可靠、高效经济的锂电池智能充电器应该是充电方法和硬件设计都比较优越的充电器。综上所述比较，充电方法采取脉冲充电和控制电路采用 AVR 单片机的充电器比较其他充电器更具优越性。由于 AVR ATtiny261 良好的性价比，使得产品的智能性与应用性大大提高，且缩短了开发时间，降低了开发成本。并且，系统采用综合控制的软件算法，适应了不同型号及容量的锂电池需求机电路集成度高，结构简单，性能可靠，经济轻便具有很大的实用价值。 参考文献 : 1 KhyVijeh,Charge Techniques for
20、 Portable ApplicationsR. Application Engineer with Portable Power Systems Group at National Semiconductor Corp. 2 T.I. Evans, T.V. Nguyen and R.E. White: “Mathematical model of a lithium/thionyl chloride primary cell”, Journal of the Electrochemical Society.1987. 3 M. Lampinen and J. Vuorisalo:“Thermodynamic analysis of electrochemical cells based on a balanced matrix theory”, Journal of the Electrochemical Society. 1992.
