鋰離子電池充電控制器_畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 仍然繼續放電，使電池電壓繼續降低。過放時，電極產生晶枝，電路迅速短路。雖然此時由于電池已經完全放電，不會造成安全方面的問題，但是電池也已經遭到了不可恢復的破壞，不能再繼續使用了。 過溫時，鋰離子電池中的活性物質 (LiC6， LiNiO2)與電解液可能會發生化學反應，產生更多的熱量。而電解質中存在可燃的有機溶劑成分。在這種情況下，電池溫 度將失去控制越來越高，最終導致電池燃燒，甚至爆炸。 225 小結 本章簡要介紹了鋰離子電池的化學原理，然后實驗分析論證了鋰離子電池的電特性： 1) 由充放電實驗電池電壓與電池容量的關系，表明充電時電池的端壓要比放電時高。這是因為電池本身和充放電回路上有一定的電阻。所以在計算充放電端電壓時，不要忘記內阻值的影響。 2) 實驗不同放電率下鋰離子電池電壓的變化。結論表明放電率越大，相應剩余容量下的電池電壓就越低。 3)環境溫度對電池放電的影響實驗，結論表明溫度較低時，放電容量有所下降。 另外還就循環次數，過充 ，過放，及過溫對鋰離子電池的影響和危害進行了討論。 根據電池的這些特點，可以通過設計一個完整的智能充放電管理系統來使電池的使用壽命和性能達到最優化。 第三章智能電器的主體設計 167。 31 電源管理方案 充電管理是電源管理系統的重要組成部分，它對電池的特性及壽命有著至關重要的影響。隨著電源技術的不斷發展，充電的手段越來越豐富，充電方式對電池及應用環境的針對性也越來越強。目前鋰電池充電主要有四種方法 [22]：恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電和脈沖充電。 1）恒流充電（ CC） 恒流充電根據其充電電流的大小，又可分為 浮充充電（又稱涓流充電）、標準充電及快速充電。該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進行充電，如圖 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的電池組進行充電。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，產生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質脫落，影響鋰電池的壽命。 圖 恒流充電法曲線 Fig Constant current charge curve 2）恒壓充電法（ CV） 在恒壓充電法中，充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電曲線如圖 所示。從圖中可以看出，充電初期充電電流過大，這樣對鋰電池的壽命會造成很大影響。 圖 恒壓充電法曲線 Fig Constant voltage charge curve 3）恒流恒壓充電法（ CC/CV） 在 CC/CV 充電器中，充電通過恒定電流開始。在恒流充電 CC 周期中，為了防止過度充電而不斷監視電池端電壓。當電壓達到設定的端電壓時，電路切換為恒定電壓充電，直 到把電池充滿為止。在 CC充電期間，電池可以以較高電流強度進行充電，這期間電池被充電到大約 85%的容量。在 CV 周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1/10 容量時，充電周期完成。恒流恒壓充電曲線如圖 所示。 圖 恒流恒壓充電法曲線 Fig Constant current and voltage charge curve 4）脈沖充電法 脈沖充電方式是比較新的一種充電方式。脈沖充電法是從對電池的恒流充電開始的，大部分的能量在恒流充電過程中被轉移到電池內部。當 電池電壓上升到充電終止電壓 VCV 后，脈沖充電法由恒流轉入真正的脈沖充電階段。在這一階段，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對電池進行充電。每次充電時間為 TC 后 ,然后關閉充電回路。充電時由于充電電流的存在，電池電壓將繼續上升并超過充電終止電壓 VCV；當充電回路被切斷后，電池電壓又會慢慢下降。電池電壓恢復到 VCV 時，重新打開充電回路，開始下一個脈沖充電周期。在脈沖充電電流的作用下，電池會漸漸充滿，電池端壓下降的速度也漸漸減慢，這一過程一直持續到電池電壓恢復到 VCV 的時間達到某個預設的值 TO 為止，可以認為電池已接近充滿，如圖 所示。 圖 脈沖充電法曲線 Fig charging impulse curve 在以上四種充電方法中，鋰電池充電仍以恒流恒壓的方法為主。雖然恒流恒壓充電需要復雜得多的電路來實現，但由于其充電時間短，充電效率高，因此在鋰離子電池充電中占主導地位。本文所設計的智能電器充電控制部分將采用這種充電方法。 鋰離子電池充電方式可分為三種： 1) 交換式 (switchmode) 2) 脈沖式 (pulse) 3) 線性式 (linear) 交換式充電控制器的 效率較佳但其電路板面積較大，線路較為復雜及需較大的電感電容等被動組件，其電路復雜且成本較高；脈沖式及線性式充電控制器其電路板面積較小及只需較少的外部組件，但脈沖式需要有限電流功能的交流適配器 (AC adapter)，價格較昂貴且大部分的 AC Adapter 不具此功能；線性式的充電控制器其周邊組件不會占過多的電路板面積，只需小部分額外的面積以利晶體管的散熱即可，成本較小，盡管與前二種相比其效率略差，但性價比較高。綜合三種充電方式的優缺點，本文采用線性式充電方式。 一般有兩種方法實現電路的智能化控制。一種是利 用集成電路芯片來實現控制。目前市場上有很多廠家生產的集成芯片，能夠以相對不高的成本完成各種充放電和保護功能。但是集成電路的應用場合比較窄，一般限于小容量的單、雙節電池的控制。當需求功率較大，電池串并聯數目較多時，集成電路就無能為力了。另一種方法就是采用單片機系統。單片機系統稍顯復雜，但是其靈活性是集成電路無法比擬的。特別是在有特殊需求的場合，單片機系統更能體現出它的優勢。 綜合考慮，我們選用 ATMEL公司生產的 AT89C52單片機。 AT89C52含有非易失 FLASH、并行可編程的程序存儲器，所有器件都是通過 引導裝載器串行編程 (ISP)。該單片機采用先進 CMOS工藝的單片 8位微控制器，是 80C51微控制器系列的派生，和 80C51指令相同。圖 AT89C52的內部功能框圖。 AT89C52的特性包括： ● 80C51中心處理單元； ●片內 FLASH程序存儲器； ●速度可達 33MHz； ●全靜態操作； ● RAM可擴展到 64K字節； ● 4級中斷； ● 6個中斷源； ● 4個 8位 1/0口； ●全雙工增強型 UART ●幀數據錯誤檢測； ●自動地址識別； ●電源控制模式； ●時鐘的停止和恢復； ●空閑模式； ●掉電模式； ●可編程時鐘輸出； ●雙 DPTR寄存器； ●低 EMI(禁止 ALE)； ● 3個 16位定時器； ●外部中斷可以從掉電模式中喚醒。 由于 AT89C52 具有 8k 片內 FLASH 程序存儲器，所需擴展片外 ROM，而且與 80C51 系列單片機指令相同，因此非常適合用做智能管理系統的中心控制單片機。 圖 AT89C52 內部功能框圖 Fig AT89C52 internal function block diagram 智能電源管理控制器設計包括三部分： 1) 控制電路 控制電路主要包括單片機及其 外部的擴展電路。其主要作用是控制充電電路的工作，同時對充電電池各項反饋的數據 (如電流、電壓和溫度等 )進行處理。同時它還起著人機交互的作用 (接收用戶發出的各種指令來控制充電 ),并將顯示的數據送至顯示電路。 2) 充電電路 充電電路主要包括充電芯片和同步整流電路。它能夠根據 CPU 發出的指令給充電電池提供恒流或恒壓。 3) 顯示等外圍電路 顯示電路主要包括顯示器及其驅動芯片。其主要作用是方便用戶對智能控制器的操作和直觀地了解智能控制器的工作進程。其它外圍電路由報警和傳感器等電路構成。 出于功能、性價比的考慮本文采用 MAX1898 作為充電管理芯片， MAX1898 為線性式充電芯片；選用 AT89C2052 單片機作為電源管理控制器的主芯片，單片機負責輸電的控制和提示，智能電源管理控制器在單片機的管理下，能夠完成充電管理、充滿自停和充完顯示及報警等功能。 MAX1898 是性價比較高的線性充電芯片，其輸入電壓范圍為 ～ 12V；具有內置檢流電阻； %電壓精度；可編程充電電流；輸入電源自動檢測； LED 充電狀態指示；檢流監視輸出等基本特點。 MAX1898 外接限流型充電電源和 P 溝道 場效應管，可以對單節鋰離子電池進行安全有效的快充，其最大特點是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散，可以實現預充電，具有過壓保護、溫度保護和最長充電時間限制等優點為鋰離子電池提供保護。MAX1898 的典型充電電路如圖 所示。輸入電流調節電路用于限制電源的總輸入電流，包括系統負載電流與充電電流，當檢測到輸入電流大于設定的限流門限時，通過降低電池充電電流可達到控制輸入電流的目的。因為系統工作時電源電流的變化范圍較大，如果控制器沒有輸入電流檢測功能，則輸入電源必須能夠提供最大負載電流與最大充電電流之 和，這將使電源的成本增高、體積增大，而利用輸入限流功能則能夠降低控制器對直流電源的要求 ,同時也簡化了輸入電源的設計。 圖 MAX1898 的典型充電電路 Fig MAX1898 typical charging circuit 1) 電源輸入：鋰離子電池要求的充電方式是恒流恒壓方式，電源的輸入需要采用恒流恒壓源，一般地，可以采用直流電源加上變壓器提供。 2) 輸出： MAX1898 通過外接的場效應管提供鋰電池的充電接口。 3) 充電時間的選擇： MAX1898 充電時間 CHG t 可選擇通過 外接的電容 CT C 大小決定的。兩者關系為： CT C = CHG t () 式中， CHG t 的單位為小時， CT C 的單位為 nF 。 標準的充電時間為 1 小時，最大不要超過 2 小時，根據這個標準，可以計算得到外接電容的容值。也可以采用單片機設定最大充電時間。 4) 設置充電電流： MAX1898 充電電流在限制電流的模式下，可以通過選擇外接的電阻阻值 SET R 大小決定。關系式如下： FSTCHG I =1400/RSET () 式中， SET R 的單位為 Ω， FSTCHG I 的單位為 A 。