智能充电器设计毕业设计论文.docx

智能充电器设计毕业设计论文.docx

《智能充电器设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能充电器设计毕业设计论文.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能充电器设计毕业设计论文

智能充电器设计

摘要

随着便携式电子设备的普及和充电电池的广泛应用，充电器的使用也越来越广泛，但其性能却跟不上电池的发展要求，其电路设计存在较大的缺陷。

针对目前市售充电器的技术缺陷，本文应市场需求设计了一款智能镍氢电池充电器。

本智能充电器具有检测镍氢电池的状态；自动切换电路组态以满足充电电池的充电需要；充电器短路保护功能；以恒压充电方式进入维护充电模式；充电状态显示的功能。

本文充分考虑了国内外的设计方案，在设计中针对市场需求，在功能上进行了适当调整，以满足用户对高性价比的需要。

功能适用、价格低廉、电路简化是本设计的重点。

关键词：

维护充电、充电电池、智能充电

Abstract

Alongwiththeprevalenceoftheportabledevicesandcellsusedwidely,chargersareimplicatedinmorefieldsthanbefore.Buttheperformanceofthechargersisfartoobehindtherequirementofthedevelopingcells.Withthedemeritoftheavailablechargers,thispaperdesignsanintelligentNi-Mncellscharger.Thefeaturesoftheintelligentchargeraredepictedasfollows,detectingthestateoftherechargecells,automaticallyswitchingthemoduleofthecircuittomeetthedemandofthecells,shortprotectionforthecharger,maintenancechargemodulewithconstantvoltageandcurrent,stateshowing.Thispaperconsidersdesignationsfromhomeandabroadfullyandadjustsafewfunctionsofthecircuittosatisfytheuserrequirementofhighperformance-priceratio.Thefocusofthisdesignationinthispaperisproperfunction,low-cost,andsimplifiedcircuit.

KeyWords:

maintenancechargemodule、Rechargeablebatteries、

intelligentcharge

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

4

3

2

1

充电时间（小时）

3

2.5

2

1.5

2.5

2

1.5

1

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式，这样不仅可以保护电池，延长电池循环寿命，而且可以提高充电效率，缩短充电时间。

2镍氢电池特性

本章简要介绍镍氢电池的化学特性，解释电池的几个重要参数，分析其充电的状态转换过程。

这些数据可以为充电器电路的设计提供参考。

2.1镍氢电池化学特性

由于镍氢电池容量大，可多次循环使用，无记忆效应而得到广泛应用，是市场的主流产品，因此，本设计主要针对镍氢电池。

镍氢电池与同体积的镍镉电池相比，容量增加了一倍，充放电循环寿命长，无记忆效应。

正常充电状态下的镍氢电池正极的活性物质为NiOOH（放电时）和Ni（OH）2（充电时），负极的活性物质是H2（放电时）和H2O（充电时）。

电解液采用30%的KOH溶液。

充放电时的电化学化应如下式所示。

正极：

Ni（OH）2+OH‾−e=NiOOH+H2O（2-1）

负极：

H2O+e=1/2H2+OH‾（2-2）

总反应：

Ni（OH）2=NiOOH+1/2H2（2-3）

由电极反应方程式2-1～2-3可以看出：

充电时，负极析出氢气，存储在容器中，正极由氢氧化亚镍（Ni（OH）2）转化成氢氧化镍（NiOOH）和水（H2O）。

放电时，氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍（NiOOH）转化成氢氧化亚镍（Ni（OH）2）。

过量充电时的电化学反应如下式所示。

正极：

2OH‾−2e=1/2O2+H2O（2-4）

负极：

2H2O+2e=H2+2OH‾（2-5）

总反应：

H2O=H2+1/2O2（2-6）

再化合：

H2+1/2O2=H2O（2-7）

从反应方程式2-4～2-7不难得出：

电池过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。

由于有催化济的氢电极表面面积大，加之氧气容易扩散到氢电极表面，因此，氢气和氧气在电池内部很容易再化合生成水，使容器的内部压力保持不变，这种再化合的速率很快，可使电池内部的氧气浓度不超过千分之几。

镍氢电池可以做成密封型结构，电解液多采用氢氧化钾水溶液，并加入少量的氢氧化锂。

隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。

2.2镍氢电池重要参数

充电终止电压：

电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电压也不会上升，此时的充电电压叫做充电终止电压。

镍氢电池的充电终止电压为1.25V或1.5V。

放电终止电压：

电池放电时所能允许的最低电压。

如果电池电压低于放电终止电压时继续放电，电池电压迅速下降，形成深度放电，则再进行充电时，电池极板上的活性物质就不易再恢复，严重影响电池的寿命。

镍氢电池的放电终止电压为1V。

工作温度：

指充电电池在正常充放电状态下的温度，一般为-20°C～55°C。

电压容限：

电压容限即市电电压容忍限度，这个参数表明充电器电路对市电电压波动的容忍能力，也就是说它抗击市电电压不稳定的能力。

2.3镍氢\镉电池的充放电特性

镍氢\镉电池的充放电特性如图2-1所示。

镍镉

镍氢

2．0

1．8

电1．6

压1．4

（v）1．2

1．0

0．8

020406080100120

容量（%）

图2-1电池特性曲线

从电池的特性曲线分析得出：

充电的全过程可以分为三个阶段，在电池电压低于约0.9V时，特性曲线较陡，电压上升较快。

这是由于电池内部基本没有存贮电量，活性化学物质会大面积的快速激活，电压也随之快速上升。

当电池电压达到1.5V左右后，此时，电池内部的电量基本恢复，活性物质绝大部分已激活，正在大量吸附电荷，电压上升较慢，持续时间也长，直到进入下一个价段。

最后一个阶段电池进入饱和状态，这时再充电电池电压也不会明显上升，电量也不会增多，活性物质所能容纳的电荷量已经达到极限。

这时应该停止充电，否则过充只会损毁电池电极。

2.4镍氢电池的充电状态

通过分析镍氢电池的充放电特性曲线将充电状态（阶段）分为三个，以利于充电器功能的规化。

（1）预充电区

根据镍氢电池的充放电特性曲线，需要给充电的电池维持一个小电流（大约为正常充电电流的1/10），这时电池电压快速提升至标称电压的60%左右，持续时间短。

当单节电池电压上升到0.6～1.0V，充电进入下一个阶段。

（2）快速充电区

这一阶段可以达到正常的充电电流，即市售镍氢电池所标称的1300mA。

电池电压缓慢从预充电电压上升到标称电压。

这一阶段持续时间较长，是充电的主要阶段。

（3）维持充电区

当电池电压达到标称电压时，电池进入充电饱和状态。

充电电流降至正常充电电流的1/50左右。

电压维持在标称状态。

这一阶段可以以涓流充电方式，也可以以恒压限压方式充电。

智能充电器的充电电路能够自动跟踪上文所述的充电电池的状态并根据电池所处的状态自动切换电路的工作方式，在保证电池安全充电的前提下，提高充电的效率，节省充电时间。

将镍氢电池的充电特性曲线划分为三个不同的阶段（状态）是本文设计方案规划的依据。

3智能充电器设计方案分析

本章分析几个国内外比较典型的充电器电路，他们的设计思想值得本设计借鉴。

本设计是在这些电路的基础上进行结构上的调整和功能上的完善。

在上一章中，本文论述了镍氢电池在充电过程中的状态变化，指出智能充电器要根据充电电池所处的状态确定合适的充电方式。

接下来，将分析这几款电路是否具有智能充电器具有的这个最基本的功能。

3.1最普通的充电器电路

充电器电路如图3-1所示。

VA

VB

图3-1ZSMCU的一款充电器电路

这个镍镉电池自动充电器，具有状态指示功能。

充电时，发光二极管发绿光。

充满后，保护电路动作，发光二极管发红光，指示电池已充满。

当电池充满后，保护电路自动切断充电电流，从而防止过充电。

故该充电器可对普通锌锰电池进行充电。

电容C1、二极管VD1－VD4构成降压（限流）、整流电路。

由于电容的内阻很大，则输出近似为恒流，经二极管VD5－VD7给电池充电，并在VD5－VD7上产生约2.1V的电压降使发光二极管发光（绿色），作为充电指示。

三极管VT和电位器RP组成自动保护电路。

当电池充满后，VT饱和导通，自动切断充电电流。

同时A点电位下降至0.5V左右，这时，VB＞VA，使红色发光二极管发光，表示充电结束。

从上面的分析可能得出：

该电路具有良好的充电状态指示和充满电量后自动切断充电电路的功能。

可以满足本文所要求的进入第三阶段的能力（在下一章论述），电路结构也比较简单，但是电路的充电效率较低，因为在电池可以接受恒流大电流充电时，电路却仍然以小电流在工作，这是该电路的一个弱点。

此外，充电电压易受市电电压波动的影响。

3.2多功能充电器

多功能充电器电路3-2所示。

LEDLEDLEDLED

R11R12R13R14

6vV10Vmul30303030

2LM3173R3R21R22R23R24

AD0112010101010

CT1T2T3T4

1000UFR49014901490149014

480VEVEVEVE

图3-2多功能充电器电路

图3-2所示的充电电路可同时对1到4节镍氢电池分别充电，采取智能充电方式，充满电量后自动停止。

充电前先调节R4，使三端可调稳压管LM317的输出电压为预定值Vo，预定值Vo由所充电的电池电压决定，即：

Vo=Ve+Vbe。

充电过程中，电池电压Ve逐渐上升，Vo保持恒定不变，当电池电压Ve上升到（Vo-Vbe）时，BJT截止，充电终止。

充电电流由R11～R14控制。

在充电状态显示方面，BJT导通，相应的充电指示灯LED点亮。

充电电流减小时，变为恒压小电流充电LED的亮度减弱，直到电池充满电，BJT截止，相应的指示灯熄灭。

对于过充问题，当电池充电结束后，即使不切断电源，由于BJT近乎截止，充电电流很小，电池电压不会再升高，这样长时间充电对电池也不会有损害。

为保护充电电池，电路中设置了R11～R14的限流电阻。

分析该电路，不难理解该电路较上面两个电路性能优异，在电路结构方面也比较合理，是本设计参考的重要电路。

充电电压稳定，抗击市电电压波动的能力较强。

仔细分析电路的结构和功能，发现它并不理想。

表现在充电器电路并不能跟踪电池的状态以确定最佳的充电电流；它是一个限压充电电路（电压由LM317及其外围电路限制），即充电电压限制为一个定值，这样充电电流就由三极管T1～T4和电阻R11～R14控制。

随着电池电压的上升，充电电流不是一个恒定值而是一个逐渐减小的值，对于高效来说这个设计还欠佳。

3.3智能充电器典型电路

充电电路（MAX846A）如图3-3所示。

图3-3智能充电器芯片典型应用电路

该充电器电路是以智能充电芯片MAX846A为基础设计的，由于MAX846A使得外围电路更简单，但是这个芯片价格较贵，对于以后充电器电路的扩展不利，同时对于充电器的应用范围扩展也不利。

因此，本设计也不采用这种设计思路。

3.4本设计采用的充电器设计方案

本设计将以上述的设计电路为参考并在分析电池充电状态变化的基础上重新设计智能充电器电路。

使其具有充电高效，保护电池，状态指示，自动跟踪电池状态并切换电路的能力。

在功能上进行了一定的调整以适应市场的需要。

在系统功能的规划中考虑到硬件实现的成本和可能性，所以本设计把功能适用、价格低廉、电路简化作为设计的目标。

系统功能划分方框图在第四章将详细说明。

充电器设计方案中采用了第一节所述电路的限压和状态显示部分（本设计的过流保护单元采用），第三节所述的限流部分的电路，并在此基础上进行了一些智能化的功能划分和电路设计（电路状态切换）。

本设计最突出的思路是将软件部分也采用硬件来完成，例如电压窗口范围的检测、电流输出的控制以及限压部分的电路。

按照智能充电器设计的目标和要求，本文所述的智能充电器功能划分方框图如图3-4所示。

可充电电池

图3-4充电器系统方框图

4硬件电路设计

本文参考了如上一章中的所述的市售充电器的电路和国内外的设计方案，认为充电电池的使用寿命和电池电量在使用中不断减小的原因，除了一些制造工艺上的问题外，最值得引起注意的应是充电器问题。

市售充电器的充电电路粗糙，没有给充电电池提供足够的保护，没有按照上文所述的充电电池的特性而改变充电器的工作方式。

用户只能根据市售充电器说明书上的充电时间来对电池进行充电管理，这给用户带来了很大的不便。

过充或欠充根本就无法区分。

这些缺陷使得电池的寿命严重缩短，影响用户的正常使用。

因此，本设计要克服以上缺陷，试制一款智能型镍氢电池充电器。

4.1系统功能模块分析

充电器系统方框图如图3-4所示。

在这里需要说明的是，在本设计硬件电路的实现中有些硬件电路具有两个以上的子模块功能。

例如电流输出控制单元和控制单元都是窗口检测电路和非门协同工作时所具有的功能。

系统功能在逻辑上的划分为硬件电路的实现提供参考，同时硬件电路的设计可以将系统所划分出的逻辑功能综合实现。

（1）市电输入保护单元

市电输入保护单元的任务是保护充电系统免于市电电涌，雷击，脉冲冲击和高压的危害并在出现这些情况时能够让充电电路及时脱离市电电网，从而防止这些不利因素对充电电路的损害。

实验和经验证明具有一定电流容忍度的电熔丝就可以满足这个要求，因而不必设计复杂的电路实现。

（2）电压变送单元

电压变送单元的功能是变换市电电压（交流220V）以提供合适的电压送往电流输出控制单元转换成电流。

这部分电路的要求是电压稳定性比较高，输出电压不会因负载的变化而改变的太多。

（3）电压检测单元

检测可充电电池电压，分析电压值，决定输出电平以控制电流输出控制单元工作。

这部分电路只需要一个反向器就可满足该单元的功能要求。

（4）电流输出控制单元

控制单元的功能是控制充电电流的大小，完成状态的切换。

它的输入信号是通过窗口检测电路接收并分析电压检测单元的输入电压值后并决定其输出的电平。

通过这个逻辑电平来开启或关闭该单元，完成系统划分的任务。

（5）显示单元

显示单元应当最简化，最好只用LED完成功能和状态指示。

在本设计中，采用了两个LED，一个为绿色，另一个为红色。

红色指示电源是否开通，而绿色则指示是处于充电状态还是已经充满电。

4.2充电器工作原理

本智能型镍氢电池充电器能够根据镍氢电池的状态自动切换工作方式，以不同的充电电流灌注电池。

从预充电状态开始经过快速充电阶段最终在充电即将结束时，维持电池电压不变或不超过限制电压，从而进入维护充电状态。

到此一个完整的镍氢充电电池的充电过程结束。

总的工作过程可概括为：

当电池电压低于0.9V时，进行恒流小电流预充电，大小约100mA；在电池电压在0.9V～1.45V时，进行恒流大电流充电，大小约1100mA；电池电压达到1.45V～1.5V时，进入维护充电状态。

此时，电路保证电池电压不会超过1.5V的限制。

以上的