智能充电器控制电路.docx
- 文档编号:30073691
- 上传时间:2023-08-04
- 格式:DOCX
- 页数:44
- 大小:319.14KB
智能充电器控制电路.docx
《智能充电器控制电路.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《智能充电器控制电路.docx(44页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
智能充电器控制电路
摘要
电子信息技术的快速发展使得各种各样的电子产品不断涌现,并朝着便携和小型轻量化的趋势发展,这也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。
目前,较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池,由于它们各自的优缺点使得它们在相当长的时期内将共存发展。
由于不同类型的电池的充电特性不同,目前通常对不同类型,甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器,但这在实际使用中有诸多不便。
本课题设计的是一种基于单片机的锂离子电池智能充电器的控制系统,在设计上,选择了简洁、高效的硬件、设计稳定可靠的软件,详细说明系统的硬件组成,包括单片机电路,充电控制电路、电压转换电路及光耦隔离电路,并对本设计中的MAX1898充电芯片、AT89C2051单片机进行了较详细的介绍,来说明智能充电器的控制系统的实现。
关键词:
单片机;智能充电器;锂电池;AT89C2051
Abstract
Electronicinformationtechnology’sfastdevelopmentcausesvariouselectronicproductsdevelopstowardportableandthesmalllightweightdirection.Italsocausesthemoreelectrificationproductstousebasedonbattery’spowersupplysystem.Atpresent,moreuseofanickel-cadmiumbatteries,nickelhydrogen,lithiumbatteriesandlead-acidbatteries,astheirrespectiveadvantagesanddisadvantagesofallowingthemforalongperiodoftimewillbethedevelopmentofcoexistence.Becausethedifferenttypebattery’schargecharacteristicisdifferent,usuallytodifferenttype,evendifferentvoltage,capacityrankbatteryusedifferentbatterycharge,butthishasmanyinconvenienceintheactualuse.ThistopicdesignisonekindlithiumionbatteryintelligentchargerwhichisbasedonSingleChip,inthedesign,ithaschosensuccinctly,thehighlyeffectivehardware,thedesignstablereliablesoftware,explainedindetailsystem’shardwarecomposition.Includingthemonolithicintegratedcircuitelectriccircuit,thechargecontrolelectriccircuit,thevoltagetransformationandthelightpairisolatingcircuit,andtothisdesign–MAX1898chargechip,at89C2051monolithicintegratedcircuithascarriedonthedetailedintroduction.Atthisintroduction,itillustratestheintelligentchargercontrolsystemhowtoachieve.
Keywords:
SingleChip;Intelligentcharger;Lithiumbatteries;AT89C2051
目录
1绪论1
1.1课题研究的现状、背景及意义1
1.1.1国外电池控制系统的研究现状1
1.1.2国内电池控制系统的研究现状1
1.2本课题研究的目的及意义2
2锂电池充放电特性和充电方法的研究3
2.1锂电池的现状及发展趋势3
2.1.1Li-SO2电池3
2.1.2Li-(CFx)n电池3
2.1.3Li-SOC12电池4
2.1.4Li-MnO2电池5
2.2锂电池的原理及特点6
2.3锂离子电池的各种充电方式7
2.3.1.恒流充电方式7
2.3.2恒压充电方式7
2.3.3浮云充电方式8
2.3.4涓流充电方式8
2.3.5分阶段充电方式9
2.4充电器的特点及发展10
2.5 充电控制技术12
2.5.1快速充电器介绍12
2.5.2快速充电终止控制方法13
3智能充电器控制系统的硬件设计16
3.1单片机电路部分16
3.2充电控制电路部分20
3.2.1如何选择充电器充电芯片20
3.2.2芯片MAX1898的特点21
3.2.3MAX1898的充电工作原理22
3.3充电控制电路的实现25
3.4电压转换及光电隔离器26
4智能充电器控制系统的软件设计29
4.1系统主程序29
4.2主要变量说明29
4.3程序流程图29
5智能充电器控制系统的总结与展望32
5.1总结32
5.2本设计存在的问题32
5.3充电控制的未来发展趋势32
参考文献34
致 谢35
附录A智能充电器及其控制电路的电路图36
附录B主要源程序37
1绪论
1.1课题研究的现状、背景及意义
1.1.1国外电池控制系统的研究现状
为了确保电池性能良好,延长电池使用寿命,必须对电池进行合理有效的管理和控制。
国此,国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研研。
在过去的三十里,国外一些大的汽车生产商和电池生产商对电池管理系统的研究取得了一定的成果,比较有代表性的有:
以美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统;德国的B.Huauck设计的BATTMAN系统;美国通用汽车生产的电动汽车EV1上的电池管理系统,深海领域的电池管理系统等等。
SmartGuard电池控制系统:
这个系统的主要特点是在电池在装一个分布式的管理装置来测量电池的电压和温度,在主控制部件有信号来时还可以起动电流旁路电路。
同时,它由其各自的电池模块单独供电,有低功率睡眠模式,使用光隔离通信总线。
主要功能有:
过充检测并防止过充、提供放电极性反向报警、电池历史记录和归档、提供剩余电量信息。
BATTMAN电池控制系统:
此系统强调了将所有不同型号动力型电池组的管理做成一个系统,通过改变硬件的跳线和在软件上增加选技参数的办法,来实现不同型号电池组的管理。
根据对不同型号的电池的管理可分为共同部分和特殊部分。
而且共同部分的比例很大,有:
决定电池能存贮的电流能量、决定最弱电池单元的剩余电量、能影响电池的运行和数据的记录、温度的测量。
EV1电池控制系统:
主要有四个组成部分:
电池模块、软件BPM、电池组热系统、电池组高压断电保护装置。
这种控制系统与一般意义上的电池管理系统有区别,它把系统侧重点放在了电池的可靠性上。
深海领域的电池控制系统:
随着锂电池在潜水艇、水下机器人等深海领域的广泛应用,一些科研机构和电池供应商成功开发出适合在深海领域应用的电池管理系统。
系统的监控单元管理电池的电压、电流、温度等信息,通过这些功能实现温度保护功能、过流保护功能、短路保护功能、过充保护功能和过放保护功能[11]。
1.1.2国内电池控制系统的研究现状
国内针对电池充放电控制系统,仍然处于起步阶段,尤其是在对电动汽车方面。
目前,有很多的高校,如北京理工大学、清华大学、北京航天航空大学等等,依托自己的科技优势,联合了电池供应商共同开展研究,取得了丰硕的成果。
如北京理工大学为纯电动汽车研制的电池控制系统以单片机为核心,采用分布式控制系统结构,可以实时检测电池的各种运行参数。
但是,由于电池的区别和试验条件不成熟,电池充放电控制系统的设计还有许多关键技术没有解决好,技术不够成熟,具有很大的发展空间[6]。
1.2本课题研究的目的及意义
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[3]。
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。
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[5]。
本课题研究的对象主要是锂离子电池的充电原理和充电控制,锂离子电池的充电设备需要解决的问题有:
(1)能进行充电前处理,包括电池充电状态鉴定、预处理。
(2)改善充电控制不合理,而造成过充、欠充等问题,提高电池的使用性能和使用寿命。
(3)能守加强单片机的控制,简化外围电路的复杂性,同时增加自动化管理设置,减轻充电过程的劳动强度和劳动时间,从而使充电具有更高的可靠性,更大的灵活性。
2锂电池充放电特性和充电方法的研究
2.1锂电池的现状及发展趋势
我国锂电池的研究始于20世纪60年代,70年代初期已开始军用。
我国对锂电池的研究几乎与国际同步,但形成规模生产却落后许多。
迄今为止,研究单位数以百计,但不少是重复的工作。
有的虽然有所创新,但仍未能形成规模生产。
目前,日本在锂电池的研制和应用方面处于世界领先地位。
锂电池可用于心脏起搏器,电子手表,计算器,录音机,无线电通信设备,志弹点火系统,潜艇,飞机及一些军事用途。
其广泛的用途预示了其广阔的前景。
但现状是国内未有高性能的锂电池出现,即在高电压和大电容上未有所突破。
因此,现在锂电池的发展方向应集中在电压的升高和电容的增大主面,以此来适应更广泛的用途。
一次锂电池的比能量高于锌-银,锌-镍,镉-镍,锌-锰,碱性锌-锰电池。
比功率比锌-锰电池好,但重负荷特性不及镉-镍和锌-银电池。
一次锂电池主要有Li-SO2、Li-(CFx)n、Li-SOC12、Li-MnO2,等几类[6]。
2.1.1Li-SO2电池
Li-SO2电池是1971年发表的专利,其特点是高功率输出,低温性能较好,适用于军用。
Li—SO2电池都是圆筒卷式结构。
负极用厚度为0.33mm的锂片压在铜网上。
正极是将PTFE和乙炔炭黑的混合物用铝网网在导电骨架上,活性物质以液体形式加入电解液中。
溶剂采用PC和AN的混合物,电解质为溴化锂,浓度为1.8mol/L。
电池放电反应形成连二亚硫酸锂(Li2S2O4)。
电池表示式为(-)Li|LiBr,PC+AN|SO2(+)
电池反应为2Li+2SO2→Li2S2O4
Li-SO2电池是目前研制的有机电解液电池中综合性能最好的一种电池,比能量高,电压精度高,贮存性能好。
其开路电压为2.95V,终止电压2.0V,放电电压高且放电曲线平坦。
Li-SO2电池比能量为330Wh.Kg-1和520Wh.L-1,比普通锌和镁电池高2-4倍。
其另一特点是电压滞后现象。
电池反应SO2与Li之间发生的自放电反应,均使锂电极表面生成Li2S2O4保护膜,防止自放电发生,但带来电压滞后现象。
安全性差是Li-SO2电池的主要缺点。
Li-SO2电池如果使用不当会发生爆炸或SO2气体泄漏。
2.1.2Li-(CFx)n电池
Li-(CF)电池以锂为负极,固体聚氟化碳(CF)为正极(0≤X≤1.5)。
电池表示式为(-)Li|LiCl4–PC|(CF)n(+)
正极反应(X=1)(CF)n+ne→nC+nF
负极反应Li-e→Li+
电池反应为nLi+(CF)n→nLiF+nC
电池放电反应产物LiF在正极上沉淀,碳能起导电作用。
Li-(CFx)n电池有扣式、圆柱式和针杆形电池等。
电解液通常用LiAsF6-DMSI(亚硫二甲酯)、LiBF4-(γ-BL+THF)、LiBF4-(PC+1,2-DME)和LiC1O4-PC等。
隔膜为非编织的聚丙烯膜等。
(CFx)n是通过碳粉和氟在400~600℃生成的夹层化合物,其反应为
2nC+nxF2→2(CFx)n
Li-(CFx)n电池的开路电压2.8—3.3V,工作电压2.6V。
放电平稳。
电池理论比能量2260Wh.Kg-1,圆筒行电池比能量为285Wh.kg-1和500Wh.L-1,约为锌-锰干电池的5—10倍。
Li-(CFx)n电池在贮存过程中元气体析出自放电极微,安全性能好。
2.1.3Li-SOC12电池
Li-SOC12电池的负极为锂箔,在手套干燥箱内将锂箔压制在拉伸的镍网上而得负极。
正极活性物质SOC12加入锂后在氩气保护下回流,然后蒸溜提纯去除杂质和水份。
将正极活性物质、乙炔炭黑或石墨粉和PVC乳液按比例混合成膏状,压到镍网上,在真空中恒温干燥。
电解液用LiA1C14-SOCI2溶液。
LiA1C14用等摩尔的氯化锂和三氯化铝制得,或直接从熔盐中制得。
隔膜采用非编织的玻璃纤维膜。
电池反应为4Li+2SOC12→4LiC1+S+SO2
放电产物二氧化硫部分溶于SOC12,中,硫大量析出并沉淀在炭黑中,氯化锂是不溶物。
可能还有如下反应发生:
8Li+4SOC12→6LiC1+S2Cl2+Li2S2O4
或8Li+3SOC12→6LiC1+2S+Li2S2O4
Li-SOCl2电池开路电压为3.65V,放电曲线平稳。
其比能量高,工作温度范围宽,成本低。
但存在两个突出的问题,即“电压滞后”和“安全”。
电压滞后是由于在锂电极表面形成了保护膜LiCI,虽然能防止电池自放电,但导致电压滞后。
Li-SOC12电池放电产物是LiC1,SO2和S,其中SO2和S主要溶解在电解液中。
当电池短路时,电池温度升高,引发Li与S的放热反应:
2Li+S=Li2S+433.Okg.mool-1
Li2S在145。
C下又可与SOCl2,发生剧烈放热反应。
这两个反应很可能是在短路条件下爆炸的触发反应。
2.1.4Li-MnO2电池
Li/MnO2电池广泛地用于计算机、照相机、手机、电子表、电表、军事通讯、电台等领域。
用作Li/MnO2电池正极材料的二氧化锰有γ/β型、α型、λ型以及复合型(CDMO)等。
其制备时所用的原材料、热处理温度和时间等对产物的微观结构、形貌和粒径大小影响很大,并直接影响到电池的电性能[14]。
Li-MnO2,电池的负极用金属锂,正极活性物质用经过专门热处理的电MnO2,溶剂用PC和1,2-DM为1:
1的混合物,导电盐为LiClO4,电解液浓度为1mol/L。
电池放电反应的结果是锂离子进入MnO2的晶格中,在LiMnO2中锰为+3价。
电池表达式为
Li|LiC104,PC+1,2-DME|MnO2(+)
负极反应Li→Li++e
正极反应 MnO2+Li++e→LiMnO2
电池反应为Li+MnO2→LiMnO2
Li-MnO2电池的正极MnO2可采用压成式和涂膏式方法制备。
压成式(粉末式)正极是将MnO2粉和乙炔炭黑粉混合,加入适量水,加热和冷却后,再加入一定量的PTFE乳液(粘合剂)混合均匀,烘干和过筛后,在钢模内加压成型,并套上支撑环,即得压成式正极。
压成式正极主要用于扣式电池。
涂膏式正极是将MnO2粉、炭粉和粘合剂调成膏状,涂在集流体骨架上,进行热处理形成薄式电极,涂膏式正极主要用于矩形电池。
Li-MnO2电池的电解液配制是制造锂电池的一个重要步骤。
LiClO4脱水:
首先将含有结晶水的LiC1O4放人干燥箱中烘干,直至变成白色粉末,然后转入真空干燥箱中,在120。
C抽真空至完全脱水为止。
溶剂提纯:
PC和1,2-DME沸点分别为241℃和85.2℃,应分别进行提纯。
PC用减压蒸馏提纯,当压力减至666Pa时,沸点为100℃;蒸馏操作是将锂带加入磨口的三颈烧瓶中,注入PC,用油浴加热至120℃,进行减压蒸馏。
取中间馏分为溶剂,放入磨口瓶中保存加入锂带脱水;而1.2-DME用常压蒸馏提纯,用水浴控制温度为95~100℃。
在真空干燥箱中,称取106.5gLiClO4粉末,加入比例为1:
1的PC和1,2-DME混合溶剂至1000ml,即得浓度为1mol/L的电解液。
用锂带控制水含量小于0.005%。
MnO2的晶型对正极放电性能影响很大,其中γ与β晶型的混合晶型MnO2的放电性能最好。
由于电解MnO2或化学MnO2中含有相当多的α和γ型MnO2以及少量水。
通过煅烧方法脱水,并将其转化为和P的混合型MnO。
热处理温度对MnO2粉的放电性能影响也很明显。
一般热处理温度控制在360℃左右,恒温数小时,自然冷却即可。
Li-MnO2电池的比能量可达到300Wh.kg及500Wh.L以上,约为铅酸蓄电池的5—7倍,其开路电压约为3.5V,工作电压2.9V,约为锌-二氧化锰干电池的两倍。
Li-MnO2电池工作温度范围宽(-20~5O℃),贮存性能好,自放电小。
贮存和放电过程中无气体析出,安全性好。
因此,中小容量的Li-MnO2电池适合于作袖珍电子计算机,电子打火机,照相机,助听器,小型通讯机的电源。
大容量的Li-MnO2电池是军事方面应用的理想电源。
随着科学技术的飞速发展,对电源性能要求越来越高,传统Li-MnO2电池已经难以满足这些要求,改进Li-MnO2电池正极材料性能一直是锂一次电池的研究热点。
2.2锂电池的原理及特点
锂作为负极的锂电极具有开路电压高(3V)以上,放电电压平稳,适用范围大和使用寿命长等特点。
早期的锂电池直接在负极中使用金属锂,容易在充电过程中产生锂沉积和锂枝晶,并且产生腐蚀现象,大大缩短了电池的循环寿命,严重时可造成电池短路甚至爆炸。
为了解决这一问题,人们开发了锂离子电池。
所谓锂离子电池,是在正极和负极中采用可以容纳锂离子的晶状结构活性材料,使锂离子随着充放电从正极转移到负极或者从负极转移到正极。
电池通过锂金属氧化物正极产生的锂离子在负极碳材料中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程。
当对电池进行充电时,电池的正极有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构,它有许多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量就越高。
同样的道理,当对电池进行放电时,嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回到正极。
回到正极的锂离子越多,放电容量就越高[5]。
一般,锂离子电池的负极由碳(C)材料组成,正极由锂金属氧化物构成,主要化学反应为:
负极反应:
正极反应:
总反应式:
锂电池有许多优越特性,比如高能量,较高的安全性,工作温度范围宽,工作电压平稳、贮存寿命长(相对其他的蓄电池)。
从安全性来度,锂离子电池要比其他蓄电池安全的多。
特别是采取了控制措施后,锂离子电池的安全性有了很大的保证,电池经过充、短路、穿刺、冲击(压)等滥用实验,均无危险发生。
锂离子电池与镍镉电池,镍氢电池一样,可以快速充电,且无记忆效应,远比镍镉电池优越;它的自放电率远比镍氢电池低。
从环境保护的角度看,世界环境保护组织早已把镉、汞、铅三种元素列为有害物质。
因此含有这三种元素的电池的使用受到了限制,特别是在欧洲,有些政府大副度提高了某些电话的环境税,与之相比,锂离子电池则不存在这些问题。
当然,锂离子电池也有一些缺点,比如低温放电率不高,电池的价格比较高等。
2.3锂离子电池的各种充电方式
2.3.1恒流充电方式
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。
图2-1恒流电源充电电路
2.3.2恒压充电方式
恒压充电电路如图2-2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。
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。
图2-2恒压充电电路
2.3.3浮云充电方式
在浮云充电方式中,电池以很小的电流(C/30~C/20)进行充电,以使电池保持在满充状态。
浮云充电方式广泛用于电池作为备用电源或应急电源的电气设备中。
常规浮云充电方式充电电路如图2-3所示。
图2-3浮充电电路
2.3.4涓流充电方式
电池与负载并联,同时电池与电源(充电器)相连。
正常情况下,直流电源作为负载的工作电敌人,并以涓流充电方式为电池充电,只有当负载变得很大、直流电源端电压低于电池端电压或直流电源停止供电后,电池才对负载放电。
在这种方式下,充电电流由使用模式决定。
它通常用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合,下图2-4为涓流充电电路的简单示意图。
图2-4涓流充电方式
2.3.5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2-5所示。
图2-5分阶段充电的简单示意图
2.4.6 快速充电
在用大电流短时间对电流时,需用电池检测和控制电路。
该电路在电池充电末期实时检测电池电压和电池
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 智能 充电器 控制电路