1、电气工程及其自动化毕业设计郑州航空工业管理学院毕 业 论 文（设 计）2007 届 电气工程及其自动化 专业 0706073 班级题 目 锂离子充电控制器 姓 名 学号 *指导教师 苏艳苹 职称 讲 师 二 一 年 六 月 二十 日内 容 摘 要本文根据近年来便携式电子产品的迅速增长，对电源管理的要求越来越高，设计了一款用于电源管理的智能电器。首先对广泛采用的电源锂电池的化学原理进行了介绍，通过实验得出在不同影响因素下充放电时锂离子电池电压与容量的关系，另外还就充放电电流，过充，过放，及过温对锂电池的影响进行了讨论。在对锂离子电池特性实验分析的基础上，进行了智能电器电路设计和软件程序编写。设计
2、的电源管理部分具备了充电过程的控制，结合Atmel公司的AT89C52单片机管理功能，包括：温度控制、时间控制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等，可以完成一个较为实用的电源管理系统。为了保护数据，抑制干扰，进行了看门狗监测电路功能设计，保证了智能电器工作的可靠性。最后对智能电器进行了测试实验。结果表明智能电器能够实现设计的全部功能。能够提供预期范围的预充电流和终止充电电流，恒流充电时的电流值在设计范围内，恒压充电时，能够提供较理想的电池端压。同时，也实现了相应的过温保护功能，及其出错报警等功能。关键词智能电器，电源管理，锂电池，AT89C52AbstractBased on the rapid
3、growth of the portable electronics in recent years, power management have become increasingly demanding, the article designs a intelligent power management for electrical apparatus.First of all, the article introduces the chemical principle of lithium batteries, and then carries out the experiments
4、of the battery charge and discharge in different factors, finding out the relationship between the battery voltage and capacity. In addition, discussing the charge and discharge current, charge-off, take-off, and over-temperature to the impact of lithium batteries.On the basis of analysis of the lit
5、hium-ion battery characteristics experiments, carry out a intelligent electrical circuit design and software programs. Design of power management has some control over the charging process, combined with Atmels AT89C52 single-chip management capabilities, including temperature control, time control,
6、 power off, beep alarm and liquid crystal display, and so on, can be a more practical power management system. In order to protect the data, interference suppression, the watchdog function of monitoring circuit design ensures that the work of the intelligent apparatus.Finally, intelligent apparatus
7、testing results show that the intelligent apparatus designed achieves full functionality. It can be expected to provide the scope of the pre-charge current and terminating charge current; the current value is in the design when charging current and it can provide a better battery-side pressure when
8、charging voltage. AS well as the realization of the corresponding over-temperature protection, and other features such as alarm error.KEY WORDSintelligent apparatus, power management, lithium batteries, AT89C52第一章：引言1-1 本文研究的智能充电控制器1-2 本课题的主要工作第二章：锂电池的原理及电特性实验2-1 锂电池的电特性实验2-1-1 电池电压2-1-2 电池寿命2-1-3 充
9、放电电流2-1-4 过充，过放及过温现象2-1-5 小结第三章：智能电器的主体设计3-1 电源控制方案3-2 充电控制器电路设计3-2-1 硬件设计3-2-2 软件设计第四章：智能电器外围电路设计4-1 液晶显示模块设计4-1-1 GXM12864 简介4-1-2 GXM12864 的接口设计4-1-3 软件设计4-2-1 看门狗功能4-2-2 MAX6304 简介4-2-3 硬件电路设计4-2-4 软件设计第五章：智能电器仿真调试5-1 设置仿真器5-2 编译工具设置5-3 连接和测试5-4 设计中问题调试5-5 实验测试结果第六章：结论及展望致谢注释参考文献第一章引言1-1 本文研究的智能
10、充电控制器目前，电源管理已成为电子系统中必不可少的技术。便携电子产品的迅速增长是电源管理技术发展的最主要推动力。便携电子设备包括移动蜂窝电话和无绳电话、无线接收机、手持式收发信机、计算器、笔记本电脑、医疗设备和由蓄电池供电的其他设备等。便携式电子设备对电源的要求有以下几点：体积小，重量轻，效率高，低压差。锂离子电池具有能量密度高，可循环充电次数多，使用寿命长，价格也越来越低等诸多优点，使得选用锂离子电池供电的便携式产品越来越多。然而锂离子电池也存在一些不足，主要在于对充电控制器要求比较苛刻，需要保护电路。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
11、的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电控制器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。充电控制器的发展经历了三个阶段:1) 限流限压式充控制电器最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年。这种充电模式的效果较差。2) 恒流/限压式充电控制器这是充电控制器发展的第二阶段，这种模式的充电控制器占据了充电控制器市场近半个世纪。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒
12、电压。这种充电控制器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。3) 自适应智能充电控制器随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电控制器。自适应充电控制器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电控制器可适应不同种类电池的充电，充电控制器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。目前市场上很多采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。也有一些低
13、成本的充电控制器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般地，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电控制器在充终了时电池经常发烫(电池在充电后期明显发烫一般说明电池已过充)。对电池经常出现过充和欠充的缺点已越来越不能满足们的需要。锂电池的使用寿命和单次循环使用时间与充电维护过程和使用情况密切相关6。一部好的充电控制器不但能在短时间内将电量充足，而且对电池还能起到一定的维护作用，修复由于使用不当而造成的记忆效应，即容量下降(电池活性衰退)现象。因而传统的普通充电控制器存在明显的不足。基于以上问题的提出与分析本文将设计一款用于锂离子电池的
14、智能电器。所谓智能充电控制器是指能根据用户的需要智能控制充电进程，并且在充电过程中能对被充电电池进行保护从而防止过电压和温度过高的一种智能化充电控制器。单片机控制的智能充电器，具备业界公认较好的-V检测，可以检测出电池充电饱和时的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。这些充电器芯片往往具备了充电过程的控制，加上单片机管理功能，包括：温度控制、时间控制、电源关断、蜂鸣报警和液晶显示等，可以完成一个较为实用的智能充电控制器。随着电子技术的发展，芯片体积小型化及其价格的降低，智能充电控制器大规模的批量生产已经成为可能。而智能充电控制器具有操作简单、可靠性高和通用性强等优点，是充电控制器家族中一个重要
15、的组成部分，也是未来充电控制器发展的主要方向。因此，对充电控制器智能化的研究与应用具有深远的现实意义。1-2 本课题的主要工作本文实现基于单片机控制的智能电器设计，这里主要针对锂离子电池的智能电源管理控制器设计。根据锂电池的特点，要求智能控制器的最基本需求有二：一是要求其能提供较高的充电电流以缩短充电时间，同时要具备最大充电电流和最大充电电压的限制以保证充电系统的安全；二是要求为增加电池的充放次数及使用寿命，当中包括对过放(over-discharged)的电池减少充电电流，对电池电压的检测或电池容量的检测，输入电流的限制，电池充饱时关闭智能控制器，对充饱电池经过一段时间漏电后能自动再充电功能
16、，充电状态的指示，外部智能控制器的开关控制等。1) 首先介绍锂离子电池充放电原理及特性。在这一部分通过实验分析验证了锂离子电池电压在不同放电率下与电池容量的关系，环境温度与电池放电容量的关系，并进一步分析论述了充放电电流对锂离子电池的影响，放电率对电池寿命的影响，过充过放及过温对锂离子电池的危害。2) 然后为控制器设计进行选型并设计其硬件电路和软件部分，以实现其智能功能。这里在充电电路设计上在比较锂电池充电主要的四种方法：恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电的优缺点上，考虑到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，因此本文所设计的智能电器充电控制部分将采
17、用恒流恒压充电方法。智能电源控制器设计包括三部分：控制电路，充电电路，显示等外围电路。并完成这三部分相关的程序设计。实现智能充电，液晶显示，看门狗功能。智能电器工作时不可避免会受到外界的干扰，这些干扰轻则导致系统内部数据出错,重则将严重影响程序的运行。为了保护数据，抑制干扰，在单片机智能系统的开发过程中需要进行可靠性设计。这里看门狗功能设计可保证智能电器的正常工作。3) 最后给出采用本智能电源管理控制器对锂离子电池充电的实验结果，并对结果进行分析论述，以期提出不足和可能的改进措施。第二章锂电池的原理及电特性实验2-1 锂电池的电特性实验2-1-1 电池电压锂离子电池的开路电压与电池的正负极材料
18、、电池的充电状态有关。电池的额定电压有3.6V 和3.7V 两种，目前使用比较普遍的是3.7V 的电池。该电池的充电终止电压为4.2V，放电终止电压一般为2.75V(不同的厂商有不同的推荐值)。从表2.1可以看出，锂离子电池的电压相当于镍镉、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。但是锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1%。如果电池的终止充电电压是4.2V，那么允许的误差范围就是0.042V。终止电压过高，将会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充现象(Ove
19、rcharge)，对电池造成永久性的损坏：终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。实验测得充放电时电池电压随电池容量变化的关系。如图2.2，电池终止电压为4.1V。可以发现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。图2.2 电池电压与容量的关系Fig 2.2 The relationship between the battery voltage and capacity我们把电阻等效为d R ，如图2.3，那么充电时的端电压表达式为： (2.1)相应的，放电时端电压表达式为： (2.2)图2.3 电池充放电等效回路Fig 2.3 Battery
20、charging and discharging equivalent circuit 从这两个公式可以看出，在充电和放电时(这里假设充电电流等同于放电电流)，电池端压所表示的值都不是真正电池的电动势，而是加上了电池组内阻的影响。实验同时测得不同的放电率下，电池电压的变化。放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低，电池终止电压为4.2V，如图2.4 所示。图2.4 不同放电率下，电池电压与容量的关系Fig 2.4 In different discharge rate, the relationship between the battery voltage and capacity锂离子电
21、池的使用环境温度范围比较宽，可以达到-2060。但是环境温度对电池的放电容量有很大影响。实验测得环境温度对电池放电的影响，如图2.5 所示。采用0.2C 放电速率，当环境温度为25时，可放出额定容量；当环境温度为-5时，电池容量下降约5%。电池放电曲线随温度的变化如图2.5 所示。图2.5 温度为参变量的放电曲线（电池容量为650mAh）Fig 2.5 Temperature parameter for the discharge of the curve2-1-2 电池寿命锂离子电池和其他电池一样，也存在使用寿命的问题。在正确使用的前提下，容量也会随着循环次数慢慢减少。造成这一现象的原因主要
22、有一下两点：1) 负极材料(石墨)中的锂逐渐被电解质氧化，造成可使用的锂离子数目减少。2) 在循环中，正极材料的老化，降级，使晶状结构慢慢遭到破坏，可容纳的锂离子数目减少。图2.6 表示了不同循环次数下电池容量的变化。图2.6 电池在1C 的放电率下容量随循环次数的变化Fig 2.6 In battery discharge rate of 1C the capacity changes with the number of cycles2-1-3 充放电电流锂离子电池对充放电的最大电流都有一定的限制。充电时，一般常用的充电率为0.25C1C（C为电池的容量，比如1500mAh 的锂离子电池，
23、1 C 的充电率即为1500mA）。在大电流充电时，还应检测电池的温度，以防过热损坏电池或产生爆炸。同样的，锂离子电池的最大放电电流一般限制在23C 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，大电流放电还将影响电池能放出的容量，因为一部分能量转化成了热能。2-1-4 过充，过放及过温现象当加在锂离子电池两端的电压超过4.5V 时，就会产生过充现象。过充时负极的石墨嵌入的锂离子完全饱和，锂将在负极沉积下来，形成锂枝晶，使电池的容量减少；同时电池继续从正极抽出过量的锂离子，造成正极材料的活性降低，也会对电池的容量造成损害。过放现象则是电池电压低于放电
24、终止电压后，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。2-1-5 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
25、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3-1 电源控制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
26、。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3.1 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3.1 恒流充电法曲线 Fig 3.1 Constant current cha
27、rge 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3.2 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3.2 恒压充电法曲线Fig 3.2 Constant voltage charge curve3）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，
28、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3.3 所示。图3.3 恒流恒压充电法曲线Fig 3.3 Constant current and voltage charge curve4）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
29、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3.4 所示。图3.4 脉冲充电法曲线Fig 3.4 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
30、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(switch-mode)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，
31、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
32、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3.5是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A
