1、基于单片机的锂电池充电器设计大学论文 毕业论文（设计）题目 基于单片机的锂电池充电器设计 系 部 电气工程系 专 业 电气自动化技术 班 级 学生姓名 指导教师 职 称 2015 年 3 月 4.3电源电路 174.4充电控制电路 195.2主要变量说明 265.3程序流程图 26摘 要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
2、充电器，但这在实际使用中有诸多不便。本课题设计是一种基于单片机的锂离子电池充电器，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。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。关键词：充电器
3、 单片机 锂电池 MAX18981引言社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源中断，人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。对于由交流供电的用电设备，为了避免出现上述不利情况，必须设计一种电源系统，它能不间断地为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源。为此，以安全和操作为目的的备用电源设备上都使用充电电池。这样，即使电力网停电，也可利
4、用由充电电池构成的安全和操作备用电源，从容地采用其他应急手段，避免重大损失的发生。而对于采用充电电池供电的用电设备，从生产、信息、供电安全角度来说，充电电池在系统中处于及其重要的地位。同时，具体到生活方面，随着社会的快速发展，电子产品小型化、便携化也使得充电电池越来越重要，锂离子电池有较高的比能量，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长，具有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，所以锂电池得到了迅速的发展和广泛的应用。锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性
5、和可靠性指标。本论文从锂电池技术特性、充电技术、充电器电路结构、充电器典型电路和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。2绪论2.1课题研究的背景电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的器件。二次电池是可多次反复使用的电池，它又称为可充电池或蓄电池。当对二次电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。对于二次电池，其性能参数很多，主要有以下4个指标：工作电压：电池放电曲线上的平台电压。电池容量：常用单位为安时(Ah)和毫安时(mAh)。工作温区：电池正常放电的温度范围。电池正常工作的充、放电次数。二次电池的性能可由电池特性曲线表示，这些特性曲线包括充电曲线、放电
6、曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池的安全性可用特性的安全检测方式进行评估。二次电池能够反复使用，符合经济使用原则。对于市场上二次电池的种类，大致分为：铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池和锂离子(Liion)电池。 1.二次电池的性能比较铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较见表1。表1.铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较电池类型工作电压(V)重量比能量(Wh/kg)体积比能量(Wh/L)循环次数记忆效应自放电率(%/月)铅酸电池2.0400600无3镍镉电池1.250150400500有1530镍氢电池1.26080240300500无2535锂离子电池3
7、.61201403001000无252.镍氢电池、镍镉电池与锂离子电池之间的差异(1)重量方面以每一个单元电池的电压来看，镍氢电池与镍镉电池都是1.2V，而锂离子电池为3.6V，锂离子电池的电压是镍氢、镍镉电池的3倍。并且，同型电池的重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。但锂离子电池因端电压为3.6V，在输出同电池的情况下，单个电池组合时数目可减少2/3从而使成型后的电池组重量和体积都减小。(2)记忆效应镍氢电池与镍镉电池不同，它没有记忆效应。对于镍镉电池来说，定期的放电管理是必需的。这种定期放电管理属于模糊状态下的被动管理，甚至是在镍镉电池荷电量不确切的情况下进行放电(每次放
8、电或者使用几次后进行放电都因生产厂的不同有所差异)，这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是无法避免的。相对而言，锂离子电池没有记忆效应，在使用时非常方便，完全不用考虑二次电池残余电压的多少，可直接进行充电，充电时间自然可以缩短。记忆效应一般认为是长期不正确的充电导致的，它可以使电池早衰，使电池无法进行有效的充电，出现一充就满、一放就完的现象。防止电池出现记忆效应的方法是，严格遵循“充足放光”的原则，即在充电前最好将电池内残余的电量放光，充电时要一次充足。通常镍镉电池容易出现记忆效应，所以充电时要特别注意；镍氢电池理论上没有记忆效应，但使用中最好也遵循“充足放光”的原则，这也就是很多充电器提供放电
9、附加功能的原因。对于由于记忆效应而引起容量下降的电池，可以通过一次充足再一次性放光的方法反复数次，大部分电池都可以得到修复。(3)自放电率镍镉电池为15%30%月，镍氢电池为25%35%月，锂离子电池为2%5%。镍氢电池的自放电率最大，而锂离子电池的自放电率最小。(4)充电方式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(蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量，例如用2A的电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C；同样地，用2A电流对500mAh电池充电，充电速率就是4C)通常不超过1C，最低放电电压为2.73.0V，如再继续
10、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，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。3.课题研究的意义本课题研究的对象主要是锂离子电池的充电原理和充电控制。锂离子电池的充电设备需要解决的问题有:(1)能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理。(2)解决充电时间长、充电效率低的问题。(3)改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命。(4) 通过加强单片机的控制，简
11、化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更大的灵活性，且成本低。本课题研究的意义在于：(1)充分研究锂离子电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池管理途径。(2)使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。(3)实现充电器具备强大的功能扩展性，以便为该充电器的后续功能升级提供平台。2.2课题研究的主要工作本文主要研究锂电池的充电方法，在此基础上进行系统设计和电路设计，并通过实验结果对充电控制方法测试验证。具体结构如下:1 绪论 首先介绍了课题研究的背景，再介绍了锂电池的特点和在应用中存在的主要问题及课题研究的意义和主要工作，这
12、是该论文的设计基础。2 电池的充电方法与充电控制技术。主要介绍了电池的充电方法和锂电池的快速充电终止控制方法，确保在充电控制过程中不过充、不损坏电池。3 锂电池充电器电路设计。选择控制芯片进行介绍和比较。在此基础之上，对该电路的充电控制芯片进行选择、介绍与分析。4 通过C语言软件编程设计出锂电池快速充电器电路，来实现对锂电池的自动化控制充电。3电池的充电方法与充电控制技术3.1电池的充电方法和充电器3.1.1电池的充电方法1.恒流充电(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
13、是否终止，也可改变电池的数目。恒流电源充电电路如图1所示。图1.恒流电源充电电路 (2)准恒流充电准恒流充电电路如图2所示。在此种电路中，通过直流电源和电池之间串联上一个电位器，以增加电路内阻来产生恒定电流。电阻值根据充电末期的电流进行调整，使电流不会超过电池的允许值。由于结构简单、成本低廉，此种充电电路被广泛应用充电器中。图2.准恒流充电电路2.恒压充电恒压充电电路如图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
14、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3.恒压充电电路3.浮充方式在浮充方式中，电池以很小的电流(C/30C/20)进行充电，以使电池保持在满充状态。浮充方式广泛应用于电池作为备用电源或应急电源的电气设备中。常规浮充方式充电电路如图4所示。图4.浮充方式充电电路4.涓充方式电池与负载并联，同时电池与电源(充电器)相连。正常情况下，直流电源作为负载的工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变得很大、直流电源端电压低于电池端电压或直流电源停止供电后
15、，电池才对负载放电。在这种方式下，充电电流由使用模式决定。它通常使用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。下图5为涓充方式的简单示意图。 图5.涓流方式的简单示意图5.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6所示。图6.分阶段充电的简单示意图6.快速充电在用大电流短时间对电流充电时，需用电池电压检测和控制电路。该电路在电池充电末期实时检测电池电压和电池温度，并且根据检测
16、参数控制充电过程。(1)电池电压检测在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充电转成小电流充电。采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。控制电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低。(2)V检测电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的，V控制系统框图如图7所示。采用V控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若V检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。电池的充电电流、电池电压和充电时间的关系如图7图8所示。图7.V控制系统框图图8.充电电池、电池电压和充电时间的关系 (3)电池温度检测电池在充电末期，负极发生氧复合
17、反应产生热量，使电池温度升高。由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电池外壳上设置温度传感器或电阻等温度检测元件。当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。下面即给出了电池温度检测简图和电池温度与充电时间的关系图9。图9.电池温度检测简图图10.电池温度和充电时间的关系3.1.2充电器的要求和结构1.充电器的要求对充电器的要求是：安全，快速，省电，功能全，使用方便，价格便宜。快速充电器(1C4C的充电器)的安全更为重要，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来作为一种附加的安全措施。功能全的充电器一般具有电池电压检测功
18、能。若充电电池的电压大于终止放电电压，为防止“记忆效应”产生，应先放电至终止放电电压，然后自动充电。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)等功能，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，充电电流较大时常采用开关电源，既省电又解决发热问题，并有可能由市电直接整流经ACDC变换获得低压直流电，可省去笨重的工频变压器。2.充电器的结构框图早期的充电器是没有处理
19、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。一般功能较完善的充电器结构框图如图11AA线右边。图11.充电器结构框图3.1.3单片机控制的充电器的优点目前，市场上有大量的电池管理芯片，针对充电器开发的电池充电管理芯片业很多，可以直接使用这些芯片进行充电器的设计。但是，充电器实现的方式不同导致其充电效果不同。由于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。一些低成本的充电器采用电压比较法，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。一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充
20、电器在充电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。设计比较科学的充电器采用专业充电控制芯片，具备业界公认较好的V检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作。这些芯片往往具备了充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，如图12所示。还可加入关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等，就可以完成一个比较实用的充电器。3.2充电控制技术3.2.1快速充电器介绍快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为0.32小时率电流。小时率电流值是由公式C(Ah)/t(h)规定的，其中C代表电池额定容量，t代表时间。例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，
21、根据0.5(Ah)1(h)500(mA)，即采用500mA的充电电流(一般慢速充电，选用10小时率电流)。性能完善的快速充电器，其原理图如图12所示：图12.快速充电器原理框图其中的主控电路有多种类型：(1)定时型对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电，使用很方便。由于定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。自制时，为了充电安全，最好选大于5小时率的电流充电。(2)电压峰值增量V型有的可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。设计主控电路时，利用该特性监测电
22、池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。这也称为V法。由于这种控制电路比较复杂，故不适于自制。(3)其他主控电路主控电路除上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制(PWM)控制电路。温度监测常用热敏电阻监测电池温度。当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。只有它复位(人工或自动)后，才能启动再次转人快速充电。3.2.2快速充电终止控制方法充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。根据充电电池的原理，将锂电池的电压曲线分为三段，具体见图13。图13.锂电池的充电特性由于锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不
23、同的控制方式。具体为:进入BC段之前，电池电量己基本用完，此时采用恒定的小电流充电。当进入BC段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变。由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。电池在充满电后，如果不及时停止充电，
24、电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种终止充电的方法。(1)定时控制该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。这种控制方法较简单，但有其缺点：充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方法充电时间是固
25、定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。(2)电池电压控制在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有：最高电压(VMAX)：从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己足充电。电压负增量(V)：由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境
26、温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池己充足电。这种控制方法的缺点是：从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充；镍镉电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。电压零增量(V)：锂电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0V控制法。这种方法的缺点是：未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，若此时误认为0V出现而停止充电，会造成误操作。为此，目前大多数锂电池快速充
27、电器都采用高灵敏0V检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。(3)电池温度控制为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。常用的温度控制方法有：最高温度(TMAX)：充电过程中，通常当电池温度达到40时，应立即停止快速充电，否则会损害电池。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。温度变化率(T/t)：充电电池在充电的过程中温度都会发生变化，在充足电后，电池温度迅速上升，而且上升速率T/t基本相同，当电池温度每分钟上升1时，应当立即终止快速充电。应当说明，由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的，因此，
28、为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，因此，不能准确的检测电池的充足电状态。(4)综合控制法以上各种控制方法各有其优缺点：由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。鉴于定时控制、温度控制、最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性，有的系统中锂电池的充电终止也采用综合控制法。锂电池是以零增量检测为主，时间、温度和电压检测为辅的方式。系统在充电过程检测有无零增量(V)
29、出现，作为判断电池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是否已超过预先设定的保护值作为辅助检测手段。当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出现，若出现V，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态；在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充维护状态。4锂电池充电器硬件设计4.1单片机电路部分1AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压
30、，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C系列单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图14图14存储器 (1)主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静
31、态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路(2)管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1
