嵌入式系统课程设计实验指导书

嵌入式系统应用技术课程设计实验指导书

1、课程设计背景和任务

1.1 课程设计背景

在电力检修、抢险救灾等户外工作领域，常常需要移动电源为现场电气设备提供电能。本课程设计即来源于这样的需求背景，以设计一个具有基本功能的移动电源系统为基本目标。

图一所示的是一套功能完善的移动电源系统。以该系统为例，

下对其组成和各模块所涉及的技术要点进行阐述。

该移动电源系统以锂电池为储能核心，分为充电部分和放电部分。

充电部分由光伏控制器和市电充电器构成，分别用以解决太阳能电池和市电两种形式的电源对锂电池的充电问题。光伏控制器涉及到充电时机检测、过充保护及太阳能电池最大功率跟踪等技术。市电充电器涉及到交直流变换、充电保护、快速充电策略等技术。 放电部分由逆变器、直流变换器和SOC 显示器构成，分别用以解决对交流设备供电、直流设备供电和锂电池电量显示的问题。逆变器和直流变换器都涉及到利用电力电子技术，实现高效率的、低成本的、高质量的电能变换技术。SOC 显示器涉及到对锂电池荷电状态的检测和估计等技术。

此外，该移动电源系统还涉及到控制面板、散热器件和保护装置等模块的设计和实现。

2.2 课程设计任务

本课程设计参考图一所示的移动电源系统，以完成一个简化的系统为基本要求。 该简化系统由图一中灰色的部分组成，即市电充电器、锂电池和逆变器。其工作原理是：市电充电器从市电获取交流电能，采用合适的充电策略对锂电池充电；逆变器从锂电池获取直流电能，将其转变为220V 工频交流电。

在完成基本目标的基础上，可以再对其他部分进一步地学习、研究和实践。本课程设计要求学生对电能变换理论、仿真技术、硬件设计与制作、控制理论和单片机实践等方面进行学习和实践，对其在电源类电子设计的综合能力提升有实际的意义。

2、市电充电器

2.1 锂电池的类别及其化学原理

锂电池主要分为两类，一次锂电池和可充电锂电池，一次锂电池只是用于某些特殊场合，这里不作特别介绍，可充电锂电池又分为锂离子电池（Li-ion ）和锂聚合物电池（Li-polymer ）。这里我们以锂离子电池为例，对可充电锂电池的组成及化学原理作一些介绍。

锂（Li ）是元素周期表中原子量最小、电化学当量最小、电极电势最负的金属。用锂作为负极的锂电池具有开路电压高、比功率高、放电电压平稳、适用范围大和使用寿命长等优点。早期的锂电池直接在负极中使用金属锂，容易在充电过程中产生锂沉淀和锂结晶，并产生腐蚀现象，大大缩短了电池的循环次数及使用寿命，严重时可造成电池断路甚至爆炸。 为了解决这一问题，人们开发出了锂离子电池。所谓锂离子电池，是在正极和负极中采用可容纳锂离子的活性材料，使锂离子随着充放电从正极（电池阳极）转移到负极（电池阴极）或者从负极转移到正极。

一般锂离子电池的负极由碳（C ）材料组成，正极由锂金属氧化物（2LiMO ）构成，主要的化学反应如下：

负极反应式：66LiC C e Li ⇔++-+

正极反应式：-

+-++⇔xe xLi MO Li LiMO x 2)1(2

总反应式：62)1(26xLiC MO Li xC LiMO x +⇔+-

对于锂电池，使用不同的活性材料，包括电池的正极材料、负极材料和电解质，电池的性能特性也会有区别。

负极材料中，目前常见的有焦碳和石墨。锂离子电池的额定电压是3.6V （有的公司的产品是3.7V ）。电池充满电时的电压（成为终止充电电压）与电池的负极材料有关。当负极材料为石墨时，终止充电电压为4.2V ；当负极材料为焦碳时，终止充电电压为4.1V 。另外，由于焦碳与石墨的内阻不同（焦碳阳极的略大），故其放电曲线也略有差别。正极材料中，主要以锂金属氧化物为主，目前常用的有锂钴氧化物（2LiCoO ），锂镍氧化物（2LiNiO ）、锂锰氧化物（42O LiMn ）以及纳米锰氧化物。锂电池中的电解质材料，通常为锂盐的有机溶液。目前使用的锂盐主要有4LiClO 、6LiAsF 、6LiPF 等。

2.2 锂电池的性能及特点

由于锂电池结构与其它可充电电池不同，反映到电池性能上，其电池电压、充电特性、放电特性以及温度特性也区别于其他可充电电池，因此对锂电池充放电的要求也不同。这里仍以锂离子电池为例，介绍锂电池的特性以及对锂电池充电必须注意的事项。

电池电压方面，从表1可以看出，锂离子电池的单体电压相当于镍镉、镍氢电池的三倍，也就是说，为了得到同样的电池组端电压，锂离子电池的使用数目只有镍镉、镍氢电池的1/3，大大减少了电池的数目，简化了电池组的设计，增加了整个电池组的稳定性。

表2-1 各种可充电电池电压特性

但是锂离子电池对充电终止电压的精度要求很高，误差不能超过额定值的1%。终止电压过高会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充电现象，对电池造成永久性的损坏；终止电压过低，又会使充电不安全，电池的可用时间变短。

充电电流方面，锂离子电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。虽然某些电池充电率可达2C（C为电池的容量），但常用的充电率为0.5~1C。在采用大电流对锂离子电池充电时，因充电过程中电池内部的电化学反应会产生热，因此有一定的能量损失，同时必需检测电池温度以防止电池过热损坏或产生爆炸。此外对锂离子电池充电，若全部采用恒电流充电，虽然可以在一定程度上缩短充电时间，但很难保证电池充满，如果对充电结束控制不当还会造成过充现象。因此一般来说，对锂离子电池充电并非全部采用恒定电流充电，还有恒压充电，实际充电时间约为2.5小时左右。

放电方面，和充电一样，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在2~3C左右。更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。同时，由于大电流放电时，电池的部分能量转变成热能，因此电池的放电容量将会降低。

此外，与镍镉电池、镍氢电池不同，锂离子电池的一个显著特点是比较容易显示剩余电量。在放电过程中锂离子电池的工作电压是随时间徐徐下降的，其放电起始电压为4.1V或4.2V，放电终止电压一般为2.5V（不同厂家的该值有所不同）。

值得提出的是，在电池中没有电池保护器或电子产品中没有电池放电终止电压检测电路时，可能会造成过放电（电池电压低于2.5V），严重时还会造成电池的失效。完善的充电器必须对过放电的电池进行挽救修复，即在充电前进行预处理。充电前先检测电池的电压：若电池电压大于2.5V，则按正常方式充电；若电池电压低于2.5V，则用小电流充电，电池电压被充电到2.5V后再按正常方式充电。通常将这一阶段的充电称为预充电或小电流充电。

电池温度方面，锂离子电池使用的环境温度范围比较宽，可以达到-20~60℃。但是环境温度对电池的放电容量有很大影响。采用0.2C放电速率，当环境温度为25℃，可放出额定容量；当环境温度为-10℃时，电池容量下降约5%；当环境温度为-20℃时，电池容量下降约10%。充电过程中，锂离子电池的温度一般应该被限制在0~60℃范围。电池温度过高不