文献综述-电池充电管理器的设计

文献综述

电气工程及其自动化

电池充电管理器的设计

前言：

电池充电器battery charger。电池充电器是电动车、电动工具、电玩、笔记本、数码及小型便携式电子设备及电子电器所有可充电电池充电用的电子设备，一般由外壳、电源转换部分、充电检测部分、充电保护部分等组成。其输出类型为纯直流或脉动直流。按连接方式可分为插墙式和桌面式[1]。按所充电电池的类型又可分为镍镉电池充电器、镍氢电池充电器、镍锌电池充电器、铅酸电池充电器、锂电池充电器等。按充电器的功能又可分为专用充电器和通用充电器。本文通过对普通充电管理器的设计来更好的了解充电器。

正文：

电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。目前，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展。由于不同类型电池的充电特性不同，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，但这在实际使用中有诸多不便。

利用单片机设计一种锂电池充电器，在设计上，选择了简洁、高效的硬件，设计稳定可靠的软件，详细说明了系统的硬件组成，包括单片机电路、充电控制电路、电压转换及光耦隔离电路，并对本充电器的核心器件—MAX1898充电芯片、AT89C2051单片机进行了较详细的介绍。阐述了系统的软硬件设计。以C语言为开发工具，进行了详细设计和编码。实现了系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性[3]。

该智能充电器具有检测锂离子电池的状态；自动切换充电模式以满足充电电池的充电需要；充电器短路保护功能；充电状态显示的功能。在生活中更好的维护了充电电池，延长了它的使用寿命。

当今可充电电池的材料、结构、规格种类很多。其作用原理大多是相同的它们都属反应可逆的化学能源,即充电时借助充电产生的化学反应将能量储存起来,使用时再利用逆向反应将储存的能量释放出来。二次世界大战后 ,各国为满足战争和军备竞赛的需要而开发了

许多种可充电电池,除大量使用的铅酸电池外还有镍铁、镍锌、银氢、氧化银锌、锌空气、镉空气、铝空气、锂碘（广泛用于心脏起博器）锂钥、锂铁铝等等。每种可充电电池均有其自身的充电要求，如果混用将会严重影响它的使用寿命，因此应根据使用情况选用合适的充电器。简易充电器有的过于简单,充电参数不易调正控制,有的采用专用集成电路控制,调正参数较多,但又过于繁琐,此外成本也较高。鉴于绝大多数使用者仍选用一次性碱锰电池的现状。现介绍一种简易充电器,使成本较低的一次性电池能延长其充放电寿命30次左右。另外根据镍镉电池充电容量达 80%时，就达到1.7的特点，增加一个定时8~10小时的定时开关反复充电就可作为镍镉电池充电器，笔者认为该充电器作为小产品开发还是有较大实用意义的。

对充电器的主要要求是：安全、快速、省电。功能好、使用方便、价格便宜。对快速充电器（1C~2C的充电器）安全更为重要，终止快速充电的检测方法要可靠、精确，以防止过充电。另外，一些充电器集成电路还设有充电时间定时器，作为一种附加的安全措施。功能好的充电一般具有电池电压检测，若被充电池电压大于终止放电电压，为防止“记忆效应”应先放电至终止放电电压，然后自动转为充电。先进行快速充电，到终止快速充电时自动转为涓流充电，各个充、放电过程都有LED指示。功能较齐全的充电器还应具有充电率的设定（选择），充电电池数的设定、涓流电流大小设定、定时器时间设定、充电前电池状态测定（判断电池好坏及安装是否良好）,并可根据电池的温度来选择充电参数（电池温度过低时不宜快充）。当充电电流较小时可采用线性电源。充电电源较大时常采用开关电源 ,它既省电又解决发热问题。并有可能从市电直接整流经 DC/DC变换获得低压直流 ,可省去笨重的工频变压器。早期的充电器是没有处理器的 ,它主要由充电器集成电路及电源部分组成 ,其内部结构较复杂，引脚也较多。近年来，新一代充电器以微处理器为核心组成更完善的充电器系统（一般将无微处理器µC拜的叫原机）。这样，充电器集成电路可以相应简化。例如 ,由于微处理器内部有ADC，则电池电压可直接输入ADC端口，经软件处理检测△；同样，由软件来控制充、放电过程及作出相应的指示是十分容易的,并且这种指示可以采用LCD数字显示,使其直观、清晰。由于充放电过程不复杂，因此对微处理器的ROM及RAM 要求不高，一般ROM不超过1K，RAM只要双字节就可以编写出多种电池的程序，因此这种微处理器是较便宜的，例如用一个8脚的单片机即可[7]。

单片机是在一块芯片上集成了CPU、存储器、输入输出部件、时钟电路及各种应用系统所需的部件，如A/D转换器、D/A转换器等。它具有体积小、使用灵活方便、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的环境下可靠地工作等特点。特别是它强大的面向控

制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用，整个工业设备和工艺将进行一次以普及应用微机为特征的技术改造。

单片机技术正以惊人的速度向前发展，就已出现的单片机而言也正以其各自独特的优点或先进的技术在进行挑战，主要表现在（1）CPU的发展，增加CPU的字长或提高时钟频率均可提高CPU的数据处理能力和运算速度。CPU的字长已有8位、16位、32位、64位。时钟频率也已发展到20MHZ以上。标准的8051单片机一个机器周期要占用12个时钟周期，执行一条命令最少要一个机器周期，而现在的单片机执行命令的速度大大的提高了[6]。（2）一般的RAM为64~128B，程序存储器ROM在1~2KB，新型的单片机片内的RAM在256B 以上，片内程序存储器也采用了快速闪存Flash，使得在线编程ISP和在应用中编程技术得以实现。（3）加强片内输入/输出接口功能，最初的单片机，片内只有输入/输出接口、定时器、计数器，他们的功能也较差，在实际应用中往往还要通过特殊的接口扩展功能，这样既增加了应用系统结构的复杂性，也降低了系统的稳定性。近几年来，新型单片机内的接口，无论从类型上还是从数量上都有很大的发展。这不仅大大的提高了单片机的功能，且使系统的总体结构也大大的简化了[5]。

8位单片机是目前品种最丰富、应用最广泛的单片机自8位单片机问世以来，由于制造工艺的提高和新技术的采用，使8位单片机的性能也以惊人的提高和完善，当今在单片机内集成的应用系统常用电路越来越多，还有的在单片机内集合了局部网络控制模块，其资源已能满足很多应用场合的需要。加之单片机具有体积、功耗低、功能强、稳定、可靠、使用灵活、性能/价格比高、便于推广应用等显著优点、所以8位单片机被广泛应用于自动控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、计算机、家用电器等领域[4]。

为通信系统、电动汽车、航空航天等领域提供能量的蓄电池，因为具有经济实用、电压稳定、供电可靠、移动方便、能够反复运用等优点，受到越来越多的关注。作为蓄电池的一种，铅酸蓄电池放电工作电压平稳，工作温度范围宽，另外，铅酸蓄电池技术成熟，成本低廉，跟随负荷输出特性好，因此至今仍不失为蓄电池中的重要产品。但是因为充放电不合理而引起的电池损坏现象比较严重，因此设计一种能够延长充电器使用寿命，提高蓄电池使用效率的新型铅酸电池充电器显得尤为重要。

针对铅酸蓄电池充电器在充电过程中不能对电流、电压实时性监测，交互能力和控制能力弱等问题。设计了一种基于 MSP430F169 单片机能够实时显示电流、电压大小、并且可以调节电流大小的智能充电器，这种充电器具有硬件电路简单，功耗低等特点。MSP430F169 是美国TI公司生产的16位超低功耗单片机它具有超低功耗的结构体系 (0.1~400微安的额定