锂离子电池充电控制器研发设计与实现.docx
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锂离子电池充电控制器研发设计与实现
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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lm78/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。
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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850nm波长AlGaAsLED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。
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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°Cto+85°C典型应用:
高速数字开关,马达控制系统和A/D转换等籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
6N137光耦合器的内部结构、管脚如图所示。
6N137光耦合器的真值表
输入
使能
输出
H
H
L
L
H
H
H
L
H
L
L
H
H
NC
L
L
NC
H
图3-16N137光耦合器6N137光耦合器的真值表
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。
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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。
渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
3.阅读文献:
[1]K.Hirakawa,A.MeasuringandAnalyzingMethodforBatteryConditionsUsingaNewFieldDataCollectionsystem,evsl17,2000铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
[2]MAXIM:
Cost-SavingMultichemistryBatter-ChargerSystem,2002擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
[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.贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
[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
核心器件
器件型号
价格
主要性能指标
单片机
AT89C2051
光耦
6N137
三端稳压器
LM7805
充电芯片
MAX1898
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。
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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。
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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
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- 关 键 词:
- 锂离子电池 充电 控制器 研发 设计 实现