目錄1引言.11.1課題研究背景.11.2充電器功能描述.22系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架與技術(shù)參數(shù).32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架.32.2鋰離子電池特性.42.2.1鋰離子電池參數(shù)特性.42.2.2鋰離子電池的放電特性.42.2.3鋰離子電池的充電特性.52.3鋰電池充電方法.62.3.1恒流充電（CC）.62.3.2恒壓充電（CV）.62.3.3恒流恒壓充電（CC/CV）.72.3.4脈沖充電.72.4系統(tǒng)技術(shù)參數(shù).83充電器硬件設(shè)計(jì).93.1系統(tǒng)指示燈電路.93.2電源電壓與環(huán)境溫度采樣電路.103.3精確基準(zhǔn)電源產(chǎn)生電路.113.4開關(guān)控制電路.114充電器軟件設(shè)計(jì).124.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)思路.124.2系統(tǒng)主流程.124.3充電流程設(shè)計(jì).144.4程序設(shè)計(jì).155總結(jié).16致謝.16參考文獻(xiàn).16附錄一系統(tǒng)整體電路圖.18附錄二程序清單.191引言1.1課題研究背景近年來，各種攜帶式的電子產(chǎn)品成為市場上的熱門，如手機(jī)、數(shù)位相機(jī)、個人數(shù)字助理（PDA）、筆記型電腦等3C(Computer,Communication,ConsumerElectronics)等等產(chǎn)品均朝向無線化、可攜帶化方向發(fā)展，對于產(chǎn)品的各項(xiàng)高性能元件也往輕、薄、短、小的目標(biāo)邁進(jìn)，因此對于體積小、重量輕、能量密度高的二次電池需求相當(dāng)迫切。因此,電池廠商也研發(fā)出各種不同用途的電池，來適應(yīng)電子裝備的需求。使電子產(chǎn)品具有攜帶更方便，使用時間長等特點(diǎn)。小型二次電池包括鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰電池，在防止鎘污染的環(huán)保需求下，鎳鎘電池慢慢被取代已成趨勢。鎳氫電池雖無環(huán)保問題，但是能量密度低，高溫特性差及少許記憶效應(yīng)等缺點(diǎn)，在3C產(chǎn)品應(yīng)用上，已經(jīng)逐漸被鋰離子電池所取代。鋰離子電池具有工作電壓高(3.7V)、能量密度大(150Wh/kg)、重量輕、壽命長及環(huán)保性佳等優(yōu)點(diǎn)，皆以鋰離子電池做為其能量來源，因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品的使用量迅速成長，各種可攜帶式電子產(chǎn)品的研發(fā)不得不更輕薄短小以使產(chǎn)品能更具有競爭力，“電池”的角色顯得更加重要，其品質(zhì)的良莠甚至決定了產(chǎn)品的成功與否，特別是可充電二次電池，在市場中成長快速、利潤高，目前已成為許多先進(jìn)國家競相發(fā)展的研究項(xiàng)目，其未來需求及發(fā)展前景是相當(dāng)看好的?？偟膩碚f，鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能量密度高，其體積能量密度和質(zhì)量能量密度分別可達(dá)360Wh/dm3和150Wh/kg，而且還在不斷提高。（2）工作電壓高，通常單節(jié)鋰離子電池的電壓為3.7V，單體電池即可為3V的邏輯電路供電。對于要求較高供電電壓的電子設(shè)備，電池組所需串聯(lián)電池?cái)?shù)也可大大減少。（3）自放電小，每月10%以下，不到鎳鎘電池的一半。（4）可快速充放電，1次充電時容量可達(dá)標(biāo)稱容量的80%以上。鋰離子電池負(fù)極用特殊的碳電極代替金屬鋰電極，因此允許快速充電。在特定情況下可在短時間內(nèi)充足電，而且安全性能大大提高。（5）壽命長，鋰離子電池采用碳負(fù)極，在充放電過程中，碳負(fù)極不會生成金屬鋰，從而可以避免電池因內(nèi)部金屬鋰短路而損壞。目前，鋰離子電池的壽命可達(dá)1000次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各類電池。（6）允許溫度范圍寬，鋰離子電池具有優(yōu)良的高低溫放電性能，可在-20+60C0之間工作。高溫放電性能優(yōu)于其它各類電池。此外，鋰離子電池還具有體積小、輸出功率大、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱為性能最好的電池，盡管鋰離子電池具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但還是存在有如下的缺點(diǎn)。（1）與干電池?zé)o互換性：鋰離子電池雖然有電壓高的好處，但也有很難和干電池互換的缺點(diǎn)，當(dāng)蓄電池放完電時，一般的想法是用干電池暫時取代但由于這兩者電壓不同，不能直接代換。（2）無法急速充電：鋰離子電池不能像鎳鎘電池那樣，用15分鐘急速充足電。鋰離子電池的充電方法是，最初以恒定電池充電，最后則以恒定電壓完成充電，較快速度充電時間約需2小時。（3）內(nèi)部阻抗高：因?yàn)殇囯x子電池的電解液為有機(jī)溶液，其電導(dǎo)率比鎳鎘電池、鎳氫電池的水溶液電解液小得多。所以，鋰離子電池的內(nèi)部阻抗比鎳鎘電池或鎳氫電池約大10倍左右。（4）工作電壓變化較大：電池放電到額定容量的80%時，鎳鎘電池的電壓變化很小(約20%)，鋰離子電池的電壓變化很大（約40%）。對電池供電的設(shè)備來說，這是嚴(yán)重的缺點(diǎn)，但可以由鋰離子電池放電電壓變化比較大，很容易據(jù)此檢測電池的剩余電量。（5）放電速率較大時，容量下降較大。（6）必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過充或過放。但同其優(yōu)點(diǎn)相比，這些缺點(diǎn)不應(yīng)成為主要問題，特別是用于一些高科技，高附加值的產(chǎn)品中。因此鋰離子電池具有廣泛的應(yīng)用價值，其經(jīng)濟(jì)價值相當(dāng)可觀。1.2充電器功能描述充電器是特為化學(xué)電池設(shè)計(jì)的理想產(chǎn)品，它們使電池的三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化，即容量、壽命和安全性。正是鋰離子電池在各個領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，推動了對鋰離子電池充電器的研究。目前一些大的廠家生產(chǎn)的充電器都具有以下特點(diǎn)：具備限流保護(hù)，電流短路與反充保護(hù)線路設(shè)計(jì)：自動、快速充電、充滿電后自動關(guān)斷等等。有的還具有LED充電狀態(tài)顯示、低噪聲、模擬微電腦控制系統(tǒng)等特點(diǎn)。由于鋰離子的特點(diǎn)使得其對充電器的要求比較苛刻。其要求的充電方式是恒流恒壓方式，為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度（精度高于1%）。另外，對于電壓過低的電池除了需要進(jìn)行預(yù)充、充電終止檢測、電壓檢測外，還需采用其他的輔助方法，作為防止過充的后備措施，如檢測電池溫度、限制充電時間，為電池提供附加保護(hù)，由此可見實(shí)現(xiàn)安全高效的充電控制已成為鋰離子電池推廣應(yīng)用的目標(biāo)。按照鋰離子電池的特性參數(shù)和充、放電曲線完成充電器設(shè)計(jì)，可以完成如下的功能。（1）電池充電功能完成基本的充電功能，能按電池的充電曲線，完成恒流/恒壓充電。（2）LED指示電池正在充電，充電器的LED指示燈顯示為紅色；充電后，LED指示燈顯示為綠色。（3）保護(hù)機(jī)制當(dāng)電池和充電器的工作溫度超過設(shè)定范圍，或者充電電壓出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)的紅色LED指示燈閃爍，期間隔為0.5s。此外，對于過壓和過流狀況采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保證充電的正常運(yùn)行。（4）異常處理系統(tǒng)能在排除異常后，重新恢復(fù)充電。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架與技術(shù)參數(shù)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架鋰離子電池在充、放電使用中必須注意保護(hù)。用一個形象的肥皂泡沫做比喻，鋰離子電池如同一堆肥皂泡沫，泡內(nèi)存儲的就是電能。充電時，氣泡會隨著充電時間的加長而不斷增大，當(dāng)超過其極限值時氣泡就會破裂，此時即損壞了鋰電晶型，造成永久性損壞；若過度放電，則會造成氣泡塌陷、消失，這樣下次充電時氣泡就充不起來，導(dǎo)致鋰電池失效。設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架時，除了技術(shù)參數(shù)外，系統(tǒng)的可靠性和安全性也是至關(guān)重要的。為了保證充電不對電池造成永久性損壞，在設(shè)計(jì)中必須考慮保護(hù)措施（包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)和溫度保護(hù)）。另外，充電器充電過程包括了恒流工作階段和恒壓工作階段，且系統(tǒng)必須保證恒流、恒壓的穩(wěn)定性。圖1所示時系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，包括電壓/溫度采樣模塊、開關(guān)控制模塊、保護(hù)機(jī)制模塊和充電模塊。溫度/電壓采樣充電功能模塊保護(hù)機(jī)制主控制單元MCU開關(guān)控制圖1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)保護(hù)機(jī)制：該模塊將系統(tǒng)的工作狀態(tài)實(shí)時顯示出來，并根據(jù)事先編寫的軟件響應(yīng)監(jiān)控信號。在實(shí)現(xiàn)時，該模塊電路被分散在其他3個模塊的實(shí)現(xiàn)電路中。開關(guān)控制：該模塊利用A/D采樣檢測充電恒流，在非法工作時關(guān)斷系統(tǒng)電源。充電功能模塊：該模塊的主要功能是產(chǎn)生精確的基準(zhǔn)電壓，完成電池充電，并實(shí)時采樣系統(tǒng)狀態(tài)。溫度/電壓采樣：該模塊完成充電器電源電壓和環(huán)境溫度的采樣，并根據(jù)采樣值決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。2.2鋰離子電池特性鋰離子電池在現(xiàn)實(shí)生活中使用的非常頻繁，而鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)與采用以往充電技術(shù)的充電器不一樣。鋰離子電池可以分成兩大類:不可充電型和可充電型，其最大特點(diǎn)是比能量高。比能量指的是單位重量或單位體積的能量，用Wh/kg或Wh/L表示。2.2.1鋰離子電池參數(shù)特性充電溫度：一般情況下，鋰離子電池的充電溫度為045。放電溫度：一般情況下鋰離子電池的放電溫度為-2065。循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)：10%放電深度時，大于1000次，100%放電深度時，大于200次。存儲特性：在充滿電狀態(tài)的鋰離子電池在20下保存28天的容量保存率平均為96%，恢復(fù)率是99%以上。延長鋰離子電池使用壽命的方法：鋰離子電池在經(jīng)歷了300500個充放電周期之后便會因容量退化而失效。而且，由于鋰離子電池的自然老化現(xiàn)象，其平均使用壽命僅為23年。鋰離子電池的老化速度受到諸多因素的影響，例如環(huán)境溫度及其充電狀態(tài)。為了減緩其老化過程，需要將鋰離子電池存放在低溫處并對其進(jìn)行部分充電。2.2.2鋰離子電池的放電特性鋰離子電池在使用中不可過充、過放，否則將損壞電池，使之報(bào)廢。因此，電池上一般有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。正確使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分重要的。鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰電池，它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形及扣式，而且有由幾個電池串聯(lián)在一起組成的電池組。鋰離子電池的額定電壓為3.6V（個別產(chǎn)品為3.7V）。鋰離子電池對充電要求很高，必須保證充電終止精度在1之內(nèi)。充電完成時的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)；陽極材料為石磨材料的電池為4.2V；陽極材料為焦炭的電池為4.1V，不同陽極材料的內(nèi)阻也不同，焦炭陽極的內(nèi)阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖2所示。圖2常規(guī)鋰離子電池的放電曲線2.2.3鋰離子電池的充電特性鋰離子電池易受到過充電、深放電以及短路所造成的損害，其充電電壓必須嚴(yán)格限制。充電速度通常不超過1C，最低放電電壓為2.73.0V，如再繼續(xù)放電則會損壞電池。鋰離子電池以恒流轉(zhuǎn)恒壓方式進(jìn)行充電。采用1C恒流充電至4.1V（或4.2V）時，充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電流逐漸減少，當(dāng)電池充足電后，進(jìn)入涓流充電過程，如圖3所示。圖3鋰離子電池的充電曲線為避免過充電或過放電，鋰離子電池不僅在內(nèi)部設(shè)有安全部分，充電器也必須采取安全保護(hù)措施，以檢測鋰離子電池的充放電狀態(tài)。2.3鋰電池充電方法充電管理是鋰離子電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，它對電池的特性及壽命有著至關(guān)重要的影響。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，充電的手段越來越豐富，充電方式對電池及應(yīng)用環(huán)境的針對性也越來越強(qiáng)。目前鋰離子電池充電主要有四種方法：恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電和脈沖充電。2.3.1恒流充電（CC）采用恒流充電式，可使電池具有較高的充電效率，該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進(jìn)行充電，如圖4所示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對由多個電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。u,i0t充電電壓充電電流圖4恒流充電法曲線2