锂离子电池充电控制器的设计与实现

锂电池充电控制器的设计与实现
班级650705
姓名李波
指导教师杨大鹏
一本课题研究的目的和意义
随着社会的发展，各种便携式设备已经逐步走进了我们的生活：手机,MP3,笔记本电脑，数码相机，便携式dvd等已经成为了我们日常生活的一部分。

伴随着便携式电子产品的发展，其用电问题也越来越受到大家的关注。

目前，市场上有一次电池和二次电池，一次电池是一次性应用的电池，二次电池是可以反复使用的电池。

随着便携式设备的发展，无论从节约成本来说，还是从环境保护的角度来说，二次电池都比一次电池更有优势，因此二次电池的市场需求量也越来越大。

锂离子电池自20世纪90年代上市以来，它以能量密度高，使用寿命长的特点倍受重视。

基于市场的要求，世界各大电池生产商为了在市场领域里取得优势，无不致力于开发具有能量密度高，小型化，薄型化，轻量化，安全性高，循环寿命长，低成本的新型电池。

对此，聚合物锂离子电池具有上述各项优点，是各厂商致力研究的目标。

聚合物锂离子电池基于安全、轻薄等特性，广泛应用于便携式设备，所以聚合物锂离子电池是21世纪移动设备最佳的电源解决方案。

然而，锂离子电池已易受到过充电、深放电以及短路的损害。

单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。

充电速率通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电，则会损害电池。

锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。

采用1C充电速率充电至4.1V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小；当电池充足电后，进入涓流充电过程。

为避免过充电或过放电，充电器必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。

二本课题的主要工作内容和预期达到的目标
主要工作内容：
（1）了解并掌握锂离子电池的各种充电方式
1.恒流充电
充电器的交流电源电压通常会波动，充电时需采用一个直流恒流电源(充电器)。

当采用恒流充电时，可使电池具有较高的充电效率，可
方便地根据充电时间来决定充电是否终止，也可改变电池的数目。

恒
流电源充电电路如图2-1所示。

图2-1 恒流电源充电电路
2.恒压充电
恒压充电电路如图2-3所示。

恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充电。

当对电池进行这一充电时，电池两端的电压决定了充电电流。

这种充电方式的充电初期电流较大，末期电流较小。

充电电流会随着电压的波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免时电池过充电。

另外，这种充电方式的充电末期电压在达到峰值后会下降。

电池的充电电流将变大，会导致电池温度升高。

随着电池温度升高，电压下降，将造成电池的热失控，损害电池的性能。

图2-3 恒压充电电路
3.分阶段充电方式
在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。

当电池电压达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。

分阶段充电方式是电池最理想的充电方式，但缺点是充电电路复杂和成本较高。

另外，需增设控制点的电池电压的监测电路。

分阶段充电方式的简单示意图如图2-6所示。

图2-6 分阶段充电的简单示意图
(2) 设计充电器的结构框图
充
电器结构框图
（3）设计充电控制器的各个硬件模块
1.电源产生部分
电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78××系列和负电压输出的lm79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。

用lm7
8/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，且有一定的电压、电流输出，能够获得不同的电压和电流，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。

典型的LM7805应用电路
2.电压转换及光耦隔离电路部分
本次设计选择了6N137光耦合器：
6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。

具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流。

特性：
①转换速率高达10MBit/s;
②摆率高达10kV/us;
③扇出系数为8;
④逻辑电平输出;
⑤集电极开路输出;
工作参数：
最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压(输出高)：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL负载)：8个(最多) 工作温度范围：-40°C to +85°C 典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等
6N137光耦合器的内部结构、管脚如图所示。

3.充电电路的设计
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效耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时间限制为锂
离子电池提供二次保护。

MAX1898的典型充电电路如图3-6所示。

MAX1898的典型充电电路
（4）给出最终设计电路板，进行调试
（5）总结，撰写论文
实验测试方法
（1）用软件对电路进行模拟。

在制作电路板前，用protel对电路进行模拟仿真。

（2）软件调试。

编写单片机程序并对单片机进行调试，使单片机控制可以达到预定目标。

（3）综合调试。

将电源模块，光隔模块，充电模块组合到一起，检测各个模块之间的配合，使电路能满足既定要求。

预期目标及应用
（1）提交一块可用的电路板；
（2）提交一篇总结研究过程的毕业论文；
三．前期准备工作情况
1．调研：深入了解了锂电池充电器的设计资料和技术指标。

2．查找资料：查找了有关锂电池充电方法的论文，国内外先进充电产品的技术资料，有关锂离子电池的资料，光隔离和充电芯片的资料。

3．阅读文献：
[1]K.Hirakawa，A.Measuring and Analyzing Method for Battery Conditions Using a New Field Data Collection system，evsl17，2000
[2]MAXIM :Cost-Saving Multichemistry Batter-Charger System，2002
[3]刘美俊，基于AT89C2051单片机的智能充电器设计[J].集成电路与元器件卷，2004，7：78-79.
[4]钟伟雄，基于AT89C51 的智能充电器的设计[J].信息技术，2009，5：31-33. 4．复习相关课程：模拟电子技术基础单片机技术及应用电磁兼容电力电子
5. 设计原理框图和各硬件模块
四.核心器件及其经费预算
五、要求的实验条件及落实情况
1．实验室：
2．计算机：一台
3．测试设备：示波器，稳压电源
六、课题的难点及解决方法
锂离子电池易受到过充电、深放电以及短路的损害。

单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。

为提高充电控制电路对锂离子电池充电电压的精确度，采用了内部光耦电路，减小了电路内部干扰。

另外，采用MAX1898配合外部PNP或PMOS晶体管，提高了电压调节精度。

七、可能的创新点
目前，市场上的充电设备已经具备了体积小、重量轻；自动、快速充电、限流保护、电流短路与反充保护线路设计，但是无法识别充电时的状态。

本设计可
以直接显示出充电状态为恒压充电还是恒流充电。

另外，当电池充满以后的自动断电保护功能，可以有效防止电池的过充，提高了电池的安全性。

八、时间安排
2010.12-2011.1收集资料，熟悉锂电池充电方法的原理和特点，熟悉原有电池充电电路；
3.7 －3.21 (1-2周)设计模拟调理电路的整体框图，查阅各部分设计的不同方案；
3.22－
4.4（3-4周）分析，仿真计算，确定最终实现方案；
4.5 －4.25（5－7周）绘制原理图及制作PCB板；
4.26－
5.23（8－11周）电路焊接调试，改进及测试；
5.24－
6.18（12－15周）撰写论文,准备答辩。

九、主要参考资料
[1] 康华光. 电子技术基础模拟部分, 高等教育出版社, 2005, 第五版
[2] 刘树棠数字信号处理，西安交通大学出版社，2002，第一版
[3] 何桥单片机原理及应用，中国铁道出版社，2006。