智能充电器设计毕业设计论文 推荐Word文档格式.docx
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intelligentcharge
目录
1绪论1
1.1概述1
1.1.1充电器的设计背景1
1.1.2常见充电电池特性及其充电方式2
1.1.3市场需求情况及发展趋势3
2镍氢电池特性5
2.1镍氢电池化学特性5
2.2镍氢电池重要参数6
2.3镍氢\镉电池的充放电特性6
2.4镍氢电池的充电状态7
3设计方案分析8
3.1最普通的充电器电路8
3.2多功能充电器9
3.3智能充电器典型电路10
3.4本设计采用的充电器设计方案10
4硬件电路设计12
4.1系统功能模块分析12
4.2充电器工作原理13
4.3硬件电路实现13
5硬件电路参数分析18
5.1智能充电器硬件参数分析18
5.1.1市电输入保护电路18
5.1.2电压变送电路19
5.1.3电流输出控制电路21
5.1.4电压检测电路24
5.1.5过流保护和显示电路25
总结26
谢辞
参考文献
附录1充电器电路全图
附表2元器件的数量、规格、封装
1绪论
1.1概述
1.1.1充电器的设计背景
如今,随着越来越多的手持式电器的出现,对高性能、小尺寸、重量轻的电池充电器的需求也越来越大。
电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全的充电。
因此需要对充电过程进行更精确的监控,以缩短充电时间、达到最大的电池容量,并防止电池损坏。
以前,老式的充电器具有先天的技术设计缺陷,在电池充足电量后不能自动切断直流充电通路;
不能根据电池所处的状态自动切换充电器的工作方式;
不能有效保护电池和充电器自身;
充电效率低下,充电时间太长。
正是由于这些设计上的缺陷使得在充电时没有保护电池的功能而损坏电池,使电池寿命严重缩短。
这也是过去广大用户普遍反应的问题。
市售充电器电路如图1-1所示。
R
图1-1市售充电器电路图
该电路由一个大容量的电解电容和四个整流二极管组成桥式整流电路,当然前置电路还有一个起电磁耦合作用的变压器,是典型的全波整流电路。
四个二极管中只有两个在电压信号的正半周期导通而在负半周期另外两个导通。
整流电路的四个二极管就以此循环导通方式工作将交流电转化为直流电。
电解电容的作用是为了滤波,使输出波形平滑。
这是目前市售充电器广泛采用的电路。
但是这种充电器对充电电池没有保护能力,难以控制充电电压,极易损坏电池。
行业内根据经验对充电器的输出电压做了一些调整。
例如,对镍氢电池(充电终止电压为1.5V)充电的充电器的输出电压不是1.5V而是2.17~2.53V。
这样一来,当镍氢电池接上充电器时输出电压就可以被拉下至1.4V左右。
目前诸如此类解决方案被广泛采用,应用于各种充电器的设计中。
采用此类设计方案的充电器市售价格在¥
10.00左右。
但这并没有解决充电电路本身固有的缺陷。
对于过充或欠充电的问题,业界的做法是在充电器的外包装盒上附有一张电池容量—充电时间参考表,如表1-1所示。
表1-1电池容量-充电时间对照表
电池容量
700mAh
500mAh
300mAh
180mAh
电池数量(节)
4
3
2
1
充电时间(小时)
2.5
1.5
本文设计的充电器是针对目前市售充电器的设计缺陷而提出的一种解决方案。
按照智能化的要求,充电器能够根据镍氢电池的状态自动切换工作方式。
1.1.2常见充电电池特性及其充电方式
目前,市场上的充电器可分为两类:
一类是对普通的镍镉、镍氢电池充电的通用充电器。
这类充电器的缺点是用户必须按照说明书的要求控制充电的时间,否则可能对电池过充或者欠充。
不但使用不便而且对充电电池本身有极大的损害,还会缩短电池的使用寿命;
另一类是对手机专用锂离子电池充电的专用充电器。
这类充电器与锂离子电池一起工作,具有充满电后自动停止充电,温度检测的功能,但是这种充电器一般比较昂贵且通用性不强。
为此,本设计力图能制成一款使用方便,价格低廉的通用微型充电器。
电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的,由于使用的化学物质的不同,电池的特性也不同,其充电的方式也不大一样。
电池的安全充电现代的快速充电器(即电池可以在小于3个小时的时间里充满电,通常是一个小时)需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量,在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。
充电方法SLA电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流;
NiCd电池和NiMH电池的充电方法为恒定电流法,且具有几个不同的停止充电的判断方法。
最大充电电流最大充电电流与电池容量(C)有关。
最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。
例如,电池的容量为750mAh,充电电流为750mA,则充电电流为1C(1倍的电池容量)。
若涓流充电时电流为C/40,则充电电流即为电池容量除以40。
过热电池充电是将电能传输到电池的过程。
能量以化学反应的方式保存了下来。
但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。
一些电能转化成了热能,对电池起了加热的作用。
当电池充满后,若继续充电,则所有的电能都将转化为电池的热能。
在快速充电时这将使电池快速升温,若不及时停止充电就会造成电池的损坏。
因此,在设计电池充电器时,对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。
现代消费类电器主要使用如下四种电池:
•密封铅酸电池(SLA)
•镍镉电池(NiCd)
•镍氢电池(NiMH)
•锂电池(Li-Ion)
在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。
密封铅酸电池(SLA)密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合,如UPS和报警系统的备份电池。
SLA电池以恒定电压进行充电,辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。
只要电池单元电压不超过生产商的规定(典型值为2.2V),SLA电池可以无限制地充电。
镍镉电池(NiCd)NiCd电池目前使用得很普遍。
它的优点是相对便宜,易于使用;
缺点是自放电率比较高。
典型的NiCd电池可以充电1000次。
失效机理主要是极性反转。
在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。
为了防止损坏电池包,需要不间断地监控电压。
一旦单元电压下降到1.0V就必须停机。
NiCd电池以恒定电流的方式进行充电。
镍氢电池(NiMH)在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机,等等镍氢电池是使用最广的。
这种电池的容量比NiCd的大。
由于过充电会造成NiMH电池的失效,在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。
和NiCd电池一样,极性反转时电池也会损坏。
NiMH电池的自放电率大概为20%/月。
和NiCd电池一样,NiMH电池也为恒定电流充电。
锂电池(Li-Ion)和本文中所述的其他电池相比,锂电池具有最高的能量/重量比和能量/体积比。
锂电池以恒定电压进行充电,同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。
当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。
过充电将造成电池损坏,甚至爆炸。
1.1.3市场需求情况及发展趋势
随着现代电子技术的发展,微型电子产品的广泛应用,特别是MP3,数码相机,手机,CD播放器的普及为电池的大量使用提供了广阔的市场前景。
电池的广泛使用为各种便携式设备的普及提供了强有力的推动作用。
不可充电电池,(特别是含有重金属汞的电池),由于对环境的污染而遭到普遍的批评,各电池生产厂商把业务的重点转移到可充电电池上,随着技术的日趋成熟,可充电电池正以迅雷不及掩耳之势取代了不可充电电池的市场。
可充电电池不但可以满足对耗电量大的设备提供持续的电力供应而且可以减少环境污染。
现代可充电电池有镍镉(Ni-Cd)电池,镍氢(Ni-Mn)电池,要强调说明的是由于重金属镉的污染问题和记忆效应等缺点,镍镉电池已不再生产、使用,虽然市面上仍有销售。
因此,本文设计的充电器是针对镍氢电池。
充电电池的普及对充电器的技术要求越来越高。
市售充电器价格一般在几元到几十元之间,充电时间长,充电电流小,没有保护能力。
这些设计缺陷对充电电池有极大的危害,会缩短电池的使用寿命。
设计充电器的原则是以适用满足需求为前提,尽量采用常用的电子元器件,避免使用昂贵的集成电路芯片,即便于制作同时又降低成本。
充电器的技术设计要求:
可对2节镍氢电池充电;
具有过流、过压保护功能;
充电方式根据电池状态自动切换;
具有短路保护功能;
具有状态显示功能。
智能充电器的发展现状是充电器普遍采用智能型芯片外加辅助电路构成,成本比较高,最终导致售价居高不下,这就是设计粗糙的市售充电器仍占据广大市场的缘故。
智能充电器能够根据电池充电状态的三个阶段自动切换工作方
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