锂离子电池充电控制器_毕业论文(编辑修改稿)

锂离子电池充电控制器_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

仍然继续放电，使电池电压继续降低。 过放时，电极产生晶枝，电路迅速短路。 虽然此时由于电池已经完全放电，不会造成安全方面的问题，但是电池也已经遭到了不可恢复的破坏，不能再继续使用了。 过温时，锂离子电池中的活性物质 (LiC6， LiNiO2)与电解液可能会发生化学反应，产生更多的热量。 而电解质中存在可燃的有机溶剂成分。 在这种情况下，电池温 度将失去控制越来越高，最终导致电池燃烧，甚至爆炸。 225 小结 本章简要介绍了锂离子电池的化学原理，然后实验分析论证了锂离子电池的电特性： 1) 由充放电实验电池电压与电池容量的关系，表明充电时电池的端压要比放电时高。 这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。 所以在计算充放电端电压时，不要忘记内阻值的影响。 2) 实验不同放电率下锂离子电池电压的变化。 结论表明放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低。 3)环境温度对电池放电的影响实验，结论表明温度较低时，放电容量有所下降。 另外还就循环次数，过充 ，过放，及过温对锂离子电池的影响和危害进行了讨论。 根据电池的这些特点，可以通过设计一个完整的智能充放电管理系统来使电池的使用寿命和性能达到最优化。 第三章智能电器的主体设计 167。 31 电源管理方案 充电管理是电源管理系统的重要组成部分，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。 随着电源技术的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。 目前锂电池充电主要有四种方法 [22]：恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电。 1）恒流充电（ CC） 恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为 浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。 该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图 所示。 这种方法操作简单，易于做到，特别适合对由多个电池串联的电池组进行充电。 但由于锂电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，在充电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。 图 恒流充电法曲线 Fig Constant current charge curve 2）恒压充电法（ CV） 在恒压充电法中，充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着锂电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。 充电曲线如图 所示。 从图中可以看出，充电初期充电电流过大，这样对锂电池的寿命会造成很大影响。 图 恒压充电法曲线 Fig Constant voltage charge curve 3）恒流恒压充电法（ CC/CV） 在 CC/CV 充电器中，充电通过恒定电流开始。 在恒流充电 CC 周期中，为了防止过度充电而不断监视电池端电压。 当电压达到设定的端电压时，电路切换为恒定电压充电，直 到把电池充满为止。 在 CC充电期间，电池可以以较高电流强度进行充电，这期间电池被充电到大约 85%的容量。 在 CV 周期中，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，在电流下降到低于电池的1/10 容量时，充电周期完成。 恒流恒压充电曲线如图 所示。 图 恒流恒压充电法曲线 Fig Constant current and voltage charge curve 4）脉冲充电法 脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。 脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。 当 电池电压上升到充电终止电压 VCV 后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。 在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。 每次充电时间为 TC 后 ,然后关闭充电回路。 充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上升并超过充电终止电压 VCV；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。 电池电压恢复到 VCV 时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。 在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到 VCV 的时间达到某个预设的值 TO 为止，可以认为电池已接近充满，如图 所示。 图 脉冲充电法曲线 Fig charging impulse curve 在以上四种充电方法中，锂电池充电仍以恒流恒压的方法为主。 虽然恒流恒压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充电效率高，因此在锂离子电池充电中占主导地位。 本文所设计的智能电器充电控制部分将采用这种充电方法。 锂离子电池充电方式可分为三种： 1) 交换式 (switchmode) 2) 脉冲式 (pulse) 3) 线性式 (linear) 交换式充电控制器的 效率较佳但其电路板面积较大，线路较为复杂及需较大的电感电容等被动组件，其电路复杂且成本较高；脉冲式及线性式充电控制器其电路板面积较小及只需较少的外部组件，但脉冲式需要有限电流功能的交流适配器 (AC adapter)，价格较昂贵且大部分的 AC Adapter 不具此功能；线性式的充电控制器其周边组件不会占过多的电路板面积，只需小部分额外的面积以利晶体管的散热即可，成本较小，尽管与前二种相比其效率略差，但性价比较高。 综合三种充电方式的优缺点，本文采用线性式充电方式。 一般有两种方法实现电路的智能化控制。 一种是利 用集成电路芯片来实现控制。 目前市场上有很多厂家生产的集成芯片，能够以相对不高的成本完成各种充放电和保护功能。 但是集成电路的应用场合比较窄，一般限于小容量的单、双节电池的控制。 当需求功率较大，电池串并联数目较多时，集成电路就无能为力了。 另一种方法就是采用单片机系统。 单片机系统稍显复杂，但是其灵活性是集成电路无法比拟的。 特别是在有特殊需求的场合，单片机系统更能体现出它的优势。 综合考虑，我们选用 ATMEL公司生产的 AT89C52单片机。 AT89C52含有非易失 FLASH、并行可编程的程序存储器，所有器件都是通过 引导装载器串行编程 (ISP)。 该单片机采用先进 CMOS工艺的单片 8位微控制器，是 80C51微控制器系列的派生，和 80C51指令相同。 图 AT89C52的内部功能框图。 AT89C52的特性包括： ● 80C51中心处理单元； ●片内 FLASH程序存储器； ●速度可达 33MHz； ●全静态操作； ● RAM可扩展到 64K字节； ● 4级中断； ● 6个中断源； ● 4个 8位 1/0口； ●全双工增强型 UART ●帧数据错误检测； ●自动地址识别； ●电源控制模式； ●时钟的停止和恢复； ●空闲模式； ●掉电模式； ●可编程时钟输出； ●双 DPTR寄存器； ●低 EMI(禁止 ALE)； ● 3个 16位定时器； ●外部中断可以从掉电模式中唤醒。 由于 AT89C52 具有 8k 片内 FLASH 程序存储器，所需扩展片外 ROM，而且与 80C51 系列单片机指令相同，因此非常适合用做智能管理系统的中心控制单片机。 图 AT89C52 内部功能框图 Fig AT89C52 internal function block diagram 智能电源管理控制器设计包括三部分： 1) 控制电路 控制电路主要包括单片机及其 外部的扩展电路。 其主要作用是控制充电电路的工作，同时对充电电池各项反馈的数据 (如电流、电压和温度等 )进行处理。 同时它还起着人机交互的作用 (接收用户发出的各种指令来控制充电 ),并将显示的数据送至显示电路。 2) 充电电路 充电电路主要包括充电芯片和同步整流电路。 它能够根据 CPU 发出的指令给充电电池提供恒流或恒压。 3) 显示等外围电路 显示电路主要包括显示器及其驱动芯片。 其主要作用是方便用户对智能控制器的操作和直观地了解智能控制器的工作进程。 其它外围电路由报警和传感器等电路构成。 出于功能、性价比的考虑本文采用 MAX1898 作为充电管理芯片， MAX1898 为线性式充电芯片；选用 AT89C2052 单片机作为电源管理控制器的主芯片，单片机负责输电的控制和提示，智能电源管理控制器在单片机的管理下，能够完成充电管理、充满自停和充完显示及报警等功能。 MAX1898 是性价比较高的线性充电芯片，其输入电压范围为 ～ 12V；具有内置检流电阻； %电压精度；可编程充电电流；输入电源自动检测； LED 充电状态指示；检流监视输出等基本特点。 MAX1898 外接限流型充电电源和 P 沟道 场效应管，可以对单节锂离子电池进行安全有效的快充，其最大特点是在不使用电感的情况下仍能做到很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护、温度保护和最长充电时间限制等优点为锂离子电池提供保护。 MAX1898 的典型充电电路如图 所示。 输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，当检测到输入电流大于设定的限流门限时，通过降低电池充电电流可达到控制输入电流的目的。 因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果控制器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之 和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低控制器对直流电源的要求 ,同时也简化了输入电源的设计。 图 MAX1898 的典型充电电路 Fig MAX1898 typical charging circuit 1) 电源输入：锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般地，可以采用直流电源加上变压器提供。 2) 输出： MAX1898 通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。 3) 充电时间的选择： MAX1898 充电时间 CHG t 可选择通过 外接的电容 CT C 大小决定的。 两者关系为： CT C = CHG t () 式中， CHG t 的单位为小时， CT C 的单位为 nF。 标准的充电时间为 1 小时，最大不要超过 2 小时，根据这个标准，可以计算得到外接电容的容值。 也可以采用单片机设定最大充电时间。 4) 设置充电电流： MAX1898 充电电流在限制电流的模式下，可以通过选择外接的电阻阻值 SET R 大小决定。 关系式如下： FSTCHG I =1400/RSET () 式中， SET R 的单位为 Ω， FSTCHG I 的单位为 A。