锂电池智能充电器设计
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摘要电动自行车是绿色节能的交通工具,在节能环保的发展进程中电动自行车满足了消费者出行半径增大的需求。
另外,电动车电瓶采用锂电池越来越多。
利用开关电源实现对锂电池高效率充电是目前的发展趋势。
本设计通过认真调查锂电池充电注意事项,电动车用锂电池充电过程和充电曲线,综合运用了反激式开关电源技术,对电动车用锂电池充电器做了具体设计。
电路主要包括整流滤波电路、功率变换电路、稳压电路、恒流电路,充电指示电路,实现对锂电池分四个阶段高效率安全充电。
充电过程分微弱电流调节充电阶段,恒流充电阶段,恒压充电。
主电源部分采用线性光耦改变电流型PWM控制集成芯片UC3842中误差放大器的输入误差电压,实现稳压充电。
恒流电路实现对锂电池恒流充电。
电路设计满足客户要求,成本低廉。
关键词:反激式开关电源;锂电池充电器;UC3842;恒流充电AbstractElectric bike is a green energy-saving means of transport, energy-saving environmental protection in the process of development of electric bike to meet the consumer demand for travel radius.In addition, the electric bike battery using lithium batteries is increasing. Use of switching power supply to achieve high efficiency on the lithium battery charge is the current trend.The rechargeable lithium battery design through careful investigation note, lithium batteries for electric vehicle charging process and charge curves of the integrated use of a flyback switching power supply technology, lithium battery charger for electric vehicles to do a specific design.Circuit includes a rectifier filter circuit, power converter, voltage regulator circuit, the current circuit, the charging indicator circuit, charging in four phases of the lithium batteries safely and efficiently. Charging process comprises weak charge current regulation phase, constant current charging phase, constant voltage charging. The main power to change the input error voltage of the error amplifier in Current-mode PWM control IC UC3842 to achieve voltage regulation. Constant current circuit of the constant current charging lithium batteries. Circuit design meet customer requirements, and low cost.Keywords: flyback switching power supply; lithium battery charger; UC3842; constant current charging目录摘要 (I)Abstract......................................................................................................................................................... I I1 绪论 (1)1.1 电动车的发展概况 (1)1.2 锂电池简述 (1)1.3开关电源的产生与发展 (2)1.4 设计目的和要求 (3)1.5 主要设计内容 (3)2 开关电源概述 (4)2.1 隔离式高频开关电源 (4)2.2 本设计所用术语 (5)2.3 开关电源与线性电源 (5)2.4 开关电源能量损耗和寿命 (6)2.5 开关电源分类 (7)3 反激式开关电源 (8)3.1 反激式开关电源原理 (8)3.2 主要器件简介 (11)3.2.1 UC3842芯片简介 (11)3.2.2 TL431简介 (15)3.2.3 PC817光耦简介 (16)3.3 UC3842常用的电压反馈电路 (16)3.3.1 输出电压直接分压作为误差放大器的输入 (16)3.3.2 辅助电源输出电压分压作为误差放大器的输入 (18)3.3.3 采用线性光耦改变误差放大器的输入误差电压 (19)4 总体设计 (21)4.1电路组成 (21)4.2系统实现功能 (22)5 主电源部分设计 (23)5.1 输入电路 (23)5.1.1 输入浪涌电流保护 (23)5.1.2 输入尖峰电压保护 (24)5.2 输入滤波电路 (25)5.2.1 差模干扰和共模干扰概念 (25)5.2.2 滤除干扰信号 (25)5.3 变压器设计 (26)5.3.1变压器功能 (26)5.3.2磁芯饱和问题 (26)5.3.3 变压器设计步骤 (28)5.4 RCD箝位电路设计 (32)5.4.1 RCD箝位电路意义 (32)5.4.2 RCD箝位电路设计步骤 (33)5.5开关管选择 (34)5.6输出滤波器 (34)6控制电路设计 (35)6.1低电流调节控制电路 (35)6.2恒流电路 (36)6.3充电指示电路 (37)总结 (38)致谢 (39)参考文献 (40)附录1 本设计电路原理图 (41)附录2 本设计PCB图 (42)1 绪论1.1 电动车的发展概况电动自行车是绿色节能的交通工具,在城市化发展的进程中电动自行车满足了消费者出行半径增大的需求。
基于单片机控制的锂电池充电器设计锂电池充电器是一种用于给锂电池进行充电的设备,可以帮助锂电池恢复电荷,延长其使用寿命。
在本文中,将设计一款基于单片机控制的锂电池充电器。
该充电器采用了单片机作为主控制器,能够对电池进行精确充电控制和状态监测,从而实现高效充电和安全使用。
首先,我们需要选择适合锂电池充电的充电电路。
在这里,我们选择了恒流恒压充电模式,这是一种最常见和最可靠的充电方式。
充电电路由电源、电流检测电阻、电流采样电路、电流反馈控制回路和电压反馈控制回路组成。
接下来,我们需要设计单片机控制电路。
为了实现对充电过程的精确控制,我们可以选择一款功能齐全且性能稳定的单片机,如STM32系列。
单片机将通过AD转换器读取电流和电压的值,并根据设定的充电算法计算出相应的控制参数,并通过PWM信号调节充电电路的输出。
同时,单片机还应该具备状态监测功能,以确保充电过程的安全性。
例如,单片机可以实时监测电压、电流和温度等参数,并根据预设的条件进行相应的保护措施,如断电、降功率或结束充电等。
此外,为了提高系统的可靠性和安全性,我们还可以添加一些辅助电路。
例如,过流保护电路可以通过检测输出电流是否超过一定的阈值来触发断电保护措施。
过热保护电路可以通过监测电池温度来触发降功率或断电保护。
短路保护电路可以通过监测电池和电路之间的电压差来触发断电保护。
最后,根据设计好的电路和程序,我们可以制作出实际的锂电池充电器原型。
在测试和调试的过程中,我们可以通过观察和记录充电电流、电压和温度等数据,来验证充电器的性能和可靠性。
综上所述,基于单片机控制的锂电池充电器设计是一个复杂而重要的工程。
通过合理的电路设计和程序编写,我们可以实现对锂电池的高效充电和安全使用,延长电池的寿命,为多种应用提供可靠的电源解决方案。
Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 87【关键词】智能充电器 单片机控制 MAX1898过充 欠充锂电池可以分为一次性电池和可充电电池,其中可充电电池又分为锂离子电池和聚合物电池。
锂离子电池具有放电电压平稳、使用寿命长、适用范围大的特点,因而在便携式电子产品中得到广泛使用。
目前,市场上低成本的锂离子电池充电器良莠不齐,一些产品在额定电,放电性能,安全性保护性能方面存在质量问题,这些质量问题会影响到电子产品的正常使用,严重时还可能给消费者带来人身伤害。
为此,有必要设计安全性能高,使用方便的智能锂离子电池充电器。
1 方案设计根据要求,基于MAX1898电源管理芯片和STC89C52单片机设计了可以自动监测充电过程的智能充电器。
系统框图如图1所示。
其中MAX1898完成充电功能,单片机和外围电路完成充电监测和控制功能。
2 系统实现2.1 MAX1898智能充电电路设计MAX1898是 MAXIM 公司生产的线性锂电池充电芯片,充电芯片MAX1898内部电路包括输入电流调节器电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。
外部接晶体管PNP 或PMOS 组成一个锂离子充电器,可精确地恒流/恒压充电,电池电压精度可达±0.75%。
由该款芯片构成的典型充电电智能锂离子电池充电器的设计与实现文/王道平 何敏 王秋妍路如图2所示。
通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。
通过外接的电容C CT 来设置充电时间T CHG 。
这里的充电时间指的是快充时的最大充电时间,它和定时电容C CT 的关系如下式所示:C CT =34.33×T CHG (T CHG 的单位小时,C CT 的单位为nF)大多数情况下快充时最大充电时间不超过3小时,因此常取C CT 为100nF 。
3.6 V/7.2 V锂离子电池智能充电器设计作者:宋金华吴林谢启少来源:《物联网技术》2019年第09期摘要:部分手持式电子产品中带有3.6 V/7.2 V锂离子电池,文中针对3.6 V/7.2 V锂离子电池的充电器进行设计。
该充电器的主要特点:充电器在单片机8051F330的控制下具有自动识别充电端口电池规格、自动完成充电、实时监测充电状态并以充电指示灯指示充电状态功能;具有充电器故障告警和故障保护功能,当电池失效时指示灯闪烁告警;充电器具有操作简单、工作稳定、智能可靠等优点。
关键词:锂离子电池;单片机;自动识别;指示灯;充电器;AC/DC中图分类号:TP39;TM464 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2019)09-0-020 引言充电器是为电池充电的设备[1-2],多选用3.6 V和7.2 V规格的锂离子电池[3]。
电子产品一般匹配两套充电设备,且充电器本身不具有充电状态识别、显示、控制功能,电池充满与否依赖电子产品内部自带的电源管理程序控制。
该类普通充电器通用性弱、可靠性低,因电池极易过充而引起的电池损耗较大。
针对市场上充电器存在的缺陷,本文设计了一款智能充电器,能够自动识别插入槽内的电池规格,自动完成充电并指示充电状态。
既能给3.6 V锂离子电池充电又能给7.2 V锂离子电池充电,当电池失效或者电路故障时,会有红灯闪烁告警。
充满后自动关闭且指示灯变绿。
1 智能充电器结构图1所示为智能充电器的结构,在智能充电器内,除了具有普通充电器具备的AC/DC模块外,还具有微机单元(8051F330)控制充电状态功能,8051F330通过采样得到充电端口电压和充电电流,再与程序设置的电压电流比较、判断、控制电子开关2SC945通断来控制充电与指示灯显示状态。
充电端口根据识别电池规格自动切换3.6 V或7.2 V电池充电,并由对应的指示灯显示。
2 单片机8051F330控制程序设计智能充电器程序流程如图2所示。
新型高性能锂电池充电器的设计方案新型高性能锂电池充电器的设计方案摘要:新型高性能充电组合电路(充电器) 是由DS2770、 DS2720等芯片组合成设计而成,本文介绍该设计方案的功能和特点.关键词:充电控制与保护电量计量 1-Wire接口 Li+锂电池组前言Li+锂电池因具有体积小、重量轻与能量密度高等优势,所以在GSM/CDMA和数码相机、摄像机及PDA等高端便携式产品中被广泛应用.它们都需要在内建立一个高性能的锂离子电池充电器, 以保证Li+电池在使用中避免过充电、过放电等损害现象的发生,从而,随之带来的是要求锂电池充电器具有严格与完善的保护电路,才能真正实现各项安全保护特性。
为此,应用新型的DS2770和DS2720芯片可以设计一个具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护、计时和对电池组能识别等功能的高性能锂电池充电器组合方案.见图1所示.从而用它可替代目前市场上的现有的锂电池保护/充电控制电路---充电器。
下面就该高性能锂电池充电器组合设计的功能与特点作一说明.1充电组合电路---充电器的组成1.1 见图1所示.整个组合电路分别有DS2770是充电控制器/电量计、DS2720电池保护器、DS2415实时时钟(RTC)三个芯片组成. 它们均公用一个地(Vss或Gnd)、电源(Vdd)和通信线(DQ或DATA)。
而所有的电容(从C1到C10)和电阻(从R1到R12)的作用是对干扰信号滤波及对ESD的保护.图1 新型高性能锂电池充电器设计方案图该充电器的负载(即主设备)是通过PACK+和PACK-引脚获得电源,而充电器与主系统的数据通信是通过标准的l-Wire接口(标为DATA )进行. DS2720芯片的的PS引脚和主系统的开/关控制相连接, 且作充电器的使能输入(低电平有效). 图1中引脚Charge·source可连接到充电电源, 而充电电流能按照电池额定的充电条件加以限制,其充电电压最高至15V.整个充电器在工作模式下消耗不足100μA的典型电流,而处于静止状态(即锂电池不处于充电状)时典型消耗电流不到20μA。
基于单片机的智能电池充电器的设计智能电池充电器是一种能够智能识别电池类型和状态,并能根据电池需求实现快充和慢充的充电器。
本文将介绍一种基于单片机的智能电池充电器的设计。
一、设计原理智能电池充电器采用了单片机作为控制核心,通过对电源和电池状态进行实时监测以及控制充电电流和电压等参数,从而实现对电池的智能化管理。
二、主要功能1.电池类型识别:通过检测电池的电压和电流波形,智能电池充电器能够自动识别电池的类型,包括锂电池、铅酸电池等等。
2.电池状态检测:充电器能够实时监测电池的电流、电压以及温度等参数,通过这些参数的变化,判断电池的充电、放电状态,从而保证电池的安全和寿命。
3.充电控制:智能电池充电器可以根据电池类型和状态,动态调整充电电压和电流,以实现快充和慢充的切换,从而提高电池的充电效率和安全性。
4.过充保护:当电池充电至预设的电压值时,充电器能够自动停止充电,防止过充,保护电池安全。
5.温度保护:当电池温度过高时,充电器会自动停止充电,保护电池不受损坏。
三、硬件设计智能电池充电器的硬件设计包括电源电路、电流电压检测电路、控制电路和显示电路四个主要部分。
1.电源电路:充电器所需的电源电压一般为DC12V或AC220V,通过整流和滤波电路将交流电转化为直流电,并通过稳压电路将电压稳定在适合电池充电的范围内。
2.电流电压检测电路:用于实时检测电池的电流和电压值,通常采用放大电路和模数转换电路将模拟信号转化为数字信号,以供单片机进行处理。
3.控制电路:包括单片机和相关外围电路,单片机根据检测到的电池类型和状态,通过控制电源电压和电流调整电池的充电方式和速度。
4.显示电路:用于显示电池的充电状态、电流、电压等相关信息,通常采用数码管、LCD等显示器件。
四、软件设计智能电池充电器的软件设计主要包括单片机的程序设计和算法设计。
1.程序设计:根据单片机的指令系统和硬件接口进行开发,程序主要包括电池类型识别、电池状态检测、充电控制和保护控制等功能。
11.1V锂电池充电器设计【摘要】本文介绍了锂电池充电的控制方法,讨论了充电器的电路结构和软件设计思想。
该设计以ATmega8作为控制核心,对充电过程进行全面管理,通过对充电电流、电压的自动检测与调整,完成对不同充电阶段的精确控制及充满后的自动停充,实现了智能化充电。
【关键词】锂电池充电器;ATmega8;脉宽调制1.引言11.1V锂电池常用于涵道机、固定翼、直升机等航模中,具有放电稳定,工作温度宽;允许较大的充电电流、充电速度快,仅需1~2个小时就可以充满;无记忆效应;自放电率低,储存寿命长;能量高、储存能量密度大;输出电压高(单节锂电池的额定电压一般为3.6V,而单节镍氢和镍镉电池的电压只有1.2V)等优点。
但锂电池在使用过程中也存在娇气的一面。
在对锂电池进行充电时要防止过度充电,如果充电电压高于规定电压或充电电流大于规定电流,就会损坏锂电池或者使之报废。
在过充电的情况下,能量过剩锂电池温度上升,电解液将分解产生气体,使之内压上升而导致自燃或破裂的危险。
通常单节锂电池的终止充电电压为4.2V,精度控制在±1%之内,充电电流不大于1C(C代表充放电速率,1C代表电池正好在1小时内,充满电或放完电所要求的速率)。
锂电池在使用时也要防止过度放电,过度放电会导致电池特性及耐久性变差,可充电次数降低。
通常要求放电电流不大于2C,终止放电电压控制在2.4~2.7V左右。
2.锂电池的充电方法锂电池在充电过程中需要控制它的充电电压和充电电流并精确测量电池电压,根据锂电池电压将充电过程分为四个阶段。
每个阶段的需要用不同的电压和电流进行充电,下面以单节锂电池为例分别说明每个阶段的状态。
阶段一为预充电,先用0.1C的小电流对锂电池进行预充电,当电池电压≥2.5V时转到下一阶段。
阶段二为恒流充电,用1C的恒定电流对锂电池快速充电,点电池电压≥4.2V 时转到下一阶段。
阶段三为恒压充电,逐渐减小充电电流,保证电池电压恒定=4.2V,当充电电流≤0.1C时转到下一阶段。
第三部分毕业设计正文锂电池充电器的设计[摘要] 本设计以单片机为控制核心,系统由指示灯电路、电源电压与环境温度采样电路、精确基准电压产生电路和开关控制电路组成。
实现了电池充电、LED指示、保护机制及异常处理等充电器所需要的基本功能。
本文对锂离子电池的参数特性、充电原理与充电方法进行了详尽的描述,并提出了充电器的设计思想和系统结构。
该电路具有安全快速充电功能,可以广泛应用于室内外单节锂离子电池的充电,如手机、数码产品电池等。
[关键词]锂离子电池,充电器,硬件电路,软件设计The design of lithium battery chargerSui Chaoyun0701 electricity techniqueAbstract:This design uses SCM system for the control of core, it includes the pilot lamp circuit on system, sampling circuit about voltage and temperature, the causes about standard voltage and switch controls. The circuit achieves charging battery, LED instructions, the protection mechanism and exception handling, and other functions. This paper introduces the following things: parameters of lithium-battery, principles and methods on charge, design thinkings and system structure about charger, and it describes the functional mode of the charger in detail,moreover it proposes the thinking of plan and structure of a system.The circuit which be planed have functions of safety,rapid and so on. It can use in the charge of Lithium-ion battery that is only far-ranging,such as the battery ofcellphone,digital product and so on.Key words: Lithium-ion battery, Charger, Hardware circuit, Software design目录第一章绪论 (1)1.1 课题的背景及目的 (1)1.2 论文的构成及研究状况 (1)1.3 锂电池充电器的功能描述 (2)第二章锂电池充电器的介绍及系统设计框架 (3)2.1 锂离子的介绍 (3)2.1.1 锂离子电池的发展 (3)2.1.2 锂电池的工作原理及结构 (3)2.1.3 锂电池充电器的充电特性 (5)2.2 系统设计框架 (6)2.3 锂电池充电方法 (8)2.3.1 恒流充电(CC) (8)2.3.2 恒压充电(CV) (8)2.3.3 恒流恒压充电(CC/CV) (9)2.3.4 脉冲充电 (9)第三章锂电池充电器的设计 (10)3.1 锂电池充电器的工作原理 (10)3.1.1 89C51芯片简介 (11)3.1.2 系统指示灯电路 (12)3.1.3 电源电压与环境温度采样电路 (12)3.1.4 精确基准电源产生电路 (13)3.1.5 开关控制电路 (14)3.2 锂电池充电器的设计理念 (15)3.2.1 设计思路 (15)3.2.2 系统主流程 (15)3.2.3 充电流程设计 (17)3.2.4 程序设计 (18)结束语 (31)致谢 (32)参考文献 (33)第一章绪论1.1 课题的背景及目的电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。
锂离子电池智能充电器硬件的设计锂离子电池具有较高的能量分量和能量体积比,无记忆效应,可重复充电次数多,用法寿命长,价格也越来越低。
一个良好的充电器可使电池具有较长的寿命。
利用C8051F310设计的智能充电器,具有较高的测量精度,可很好的控制充电的大小,适时的调节,并可按照充电的状态推断充电的时光,准时终止充电,以避开电池的过充。
本文研究用法C8051F310器件设计锂离子电池充电器的。
利用脉宽调制产生可用软件控制的充电电源,以适应不同阶段的充电电流的要求。
温度对电池温度举行监测,并通过AD转换和相关计算检测电池充电和电流,以推断电池到达哪个阶段。
使电池具有更长的用法寿命,更有效的充电办法。
设计过程1 充电原理电池的特性唯一地打算其平安性能和充电的效率。
电池的最佳充电办法是由电池的化学成分打算的(锂离子、镍氢、镍镉还是SLA电池等)。
尽管如此,大多数充电计划都包含下面的三个阶段:●低电流调整阶段●恒流阶段●恒压阶段/充电终止全部电池都是通过向自身传输电能的办法举行充电的,一节电池的最大充电电流取决于电池的额定容量(C)例如,一节容量为1000mAh的电池在充电电流为1000mA时,可以充电1C(电池容量的1倍)也可以用1/50C(20mA)或更低的电流给电池充电。
尽管如此,这只是一个一般的低电流充电方式,不适用于要求短充电时光的迅速充电计划。
现在用法的大多数充电器在给电池充电时都是既用法低电流充电方式又用法额定充电电流的办法,即容积充电,低充电电流通常用法在充电的初始阶段。
在这一阶段,需要将会导致充电过程终止的芯片初期的自热效应减小到最低程度,容积充电通常用在充电的中级阶段,电第1页共5页。
锂电池充电器的设计摘要锂离子电池由于能量密度高和长循环寿命等优点,在便携式设备中得到了广泛的应用。
充电管理是锂电池管理的重要组成部分,安全、可靠、快速、高效的锂电池充电器对锂电池的性能及应用起着至关重要的作用。
本文从锂电池的结构原理着手,通过对锂电池性能及常用充电方法的研究,分析了充电过程及充电方法对锂电池性能的影响,并在此基础上设计了一款智能锂离子的充电器。
此充电器可对目前市场上具有的各种型号和容量的锂电池进行快速安全的充电。
采用这种方案进行锂电池充电器的开发具有成本廉价和易于编程升级的优点,有着广阔的市场前景。
在硬件方面,完成了单片机系统的设计,包括系统电压、电流、温度的采样及功能按键等。
软件方面,采用模块化的程序设计,介绍了模块划分和各模块的功能,实现的具体算法,给出了流程图,并根据系统工作需求进行了低功耗和软件抗干扰设计,确保了系统运行的可靠稳定性。
本设计提高了充电器智能化水平,更精确的实现充电过程控制,保护电池,延长电池寿命。
关键词:ADC(模数转换);PWM(脉宽调制);C8051F300 单片机The design of lithium battery chargerAbstractLithium battery is being widely used in the suitable selection for portable application for their high energy density and long life. Charging management is the essential part in battery management. Safe, reliable, fast and high efficient charger guarantees good performance and application of the battery.The structure, performance and charging method of Lithium battery is studied in this thesis. And different impacts on the performance of battery via different charging ways and process are analyzed in detail, based on which, an intelligent charger for Lithium battery is designed.The charger can charge all kinds of lithium batteries quickly and safely. Exploiting the charger of lithium batteries this way has the advantage of low cost and easy to upgrade in programming, which has a vast market prospect.In hardware,the thesis achieves the hardware detail circuit including the MCU system,voltage,current,temperature sampling circuit and key-press. In software, the design adopts modular procedures,which analysis the plotting and function of each module,and the specific way of realization,are introduced. According to the work demands of the system,low power consumption and software anti-interference are designed,which in sure the safety and reliability of the system. The design can improves the intellectualization level of the battery charger, realize the control to the charge process more precisely, and lengthens the battery life.Key Words:ADC; PWM; C8051F300目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2锂离子电池的工作原理 (2)1.3锂离子电池的电特性及充电方式 (3)1.3.1 锂离子电池的充放电特性 (3)1.3.2 锂电池的充电方法 (4)1.4课题意义 (7)第二章系统的硬件设计 (8)2.1系统的整体设计方案 (8)2.2充电电路的设计与实现 (10)2.2.1 单片机选型 (10)2.2.2 电源模块的设计 (11)2.2.3 单片机外围电路的设计 (12)2.2.4 快速转换器的设计 (13)2.2.5 快速调节器操作 (14)2.2.6 选择快速转换器的电感 (15)2.2.7 JTAG口设计 (15)2.3锂离子电池的充电过程 (17)2.4充电过程参数控制 (18)第三章PCB板布线 (20)第四章系统的软件设计 (22)4.1系统软件设计的组成部分 (22)4.1.1 主程序 (22)4.1.2 校准ADC子程序 (24)4.1.3 监测电池子程序 (25)4.1.4 快速充电子程序 (26)4.1.5 低电流充电子程序 (27)4.1.6 关闭PWM子程序 (28)4.1.7 测量子程序 (28)4.1.8 调节电压子程序 (29)4.1.9 调节电流子程序 (30)4.1.10 中断服务程序 (31)4.2系统软件调试 (32)第五章结论 (34)参考文献 (35)附录A 锂电池充电器原理图 (36)附录B 锂电池充电器的PCB板 (37)附录C 锂电池充电器程序设计 (38)致谢 (58)第一章绪论1.1 课题背景随着信息技术的迅猛发展,信息化正以不可思议的速度渗透到各个领域,电池作为一项传统产业,正经历着前所未有的变革,特别是在通信、动力及军用领域,对电池均有新的要求,为了满足市场的需求,智能电池应运而生。
基于PIC16F883的锂电池智能充电器设计随着全球工业化的进程,人类对能源的需求在不断增长,能源危机日益加剧。
太阳能是资源最丰富的可再生能源,它分布广泛、可再生、不污染环境,是国际公认的理想替代能源。
随着太阳能技术的发展,近年来超薄、超轻的光伏电池在便携式电子设备中的应用也得到了很大发展。
内置锂离子电池的太阳能充电器摆脱了传统充电方式的束缚,节能与环保,具有良好的发展前景。
本文的研究目标是设计一个基于单片机智能控制的,能够为手机、MP3、PDA等电子设备提供直充电源的太阳能充电器。
1 系统的总体结构
整个充电器主要包括太阳能电池、锂离子电池、充电电路、放电电路、控制电路5个组成部分。
系统整体框图如图1所示。
该充电电路是一个Buck变换器及其驱动,由它把太阳能电池发出的电能进行变换后对锂离子电池充电,Buck的驱动脉冲由单片机输出,并由单片机控制其工作。
放电电路是一个有关闭模式的集成Boost变换器,它将锂离子电池的端电压进行升压,使充电器输出的电压适合于给手机、MP3等电子产品充电。
控制电路主要包括单片机及其外围电路、驱动电路、采样电路和供电电源。
控制电路实现的功能是:单片机根据采样的充电电流信号,调节Buck变换器占空比以实现充电电流的控制,当没有充电电流输出时关闭Buck以减少电路损耗;根据采样的锂离子电池电压信号进行充电过程的控制,实现脉冲方式
的充电,并进行过充保护,以及使能或关闭放电电路防止过放;根据采样的锂离子电池温度信号实现超温保护,当温度超出正常工作范围时,暂停充电。
2系统硬件电路设计
本文采用的锂离子电池充电方法包括预充电、快速充电、脉冲充电三个阶段。
当锂离子电池端电压低于3 V时,先对其进行预充电处理。
当锂离子电池端电压≥3 v时,可直接进人快速充电阶段。
当锂离子电池端电压达到4.2 V时,进入脉冲充电阶段,在此阶段间歇关闭充电电路使电池电压保持在4.2 V左右。
锂离子电池的放电电压区间设为3.3~4.2 V,当电池端电压低至3.3 V 时关闭放电电路,防止过放电。
充电主回路如图2所示,包括太阳能电池、屏蔽二极管、Buck变换器和锂离子电池。
Buck变换器设计的关键是确保“磁路”不会饱和,因此电感应该在最不利工作条件下设计,即电感电流最大。
对于Buck变换器,电感平均电流总是等于负载电流J。
,因此它的最恶劣情况还要考虑输入电压最高的情况,此时电感电流的峰值最大。
对本设计来说,最不利条件发生在变换器输人功率最大,锂离子电池端电压最小,此时输出负载电流最大。
可得电感量L:
放电电路的输人电压为锂离子电池的端电压,其工作范围从3.3 V~4.2 V,为保护锂离子电池,当电压低至3.3 V时,关闭放电回路。
放电电路的输出为手机、PDA等设备提供5 V~5.5 V的直充电源,因此放电电路需要用一个Boost变换器,选择LINEAR公司的集成Boost变换器LTC3402,如图3
所示。
放电电路稳压输出为5.3 V/500 mA。
电路有两种关闭模式。
第一种模式由手动控制开关S。
当充电器需要输出电源为手机等设备充电时,闭合S;当充电完毕后,断开S,防止放电电路继续消耗功率。
第二种模式由单片机自动控制。
单片机对锂离子电池的端电压进行采样,经过内部比较器比较后输出高电平或低电平。
当电压在3.3~4.2 V之间时,PICl6F883单片机的6脚输出高电平,Boost电路正常工作。
当电压小于3.3 V时,6脚输出低电平,关闭Boost电路,防止电池继续放电。
同时给出电池缺电指示灯,等待手动切断S,开关。
PICl6F883是Microchip公司于2006年推出的PICl6F88X系列单片机中的一个型号。
PICl6F883单片机不仅集成了本电路所需要的PWM脉冲调制模块、A/D转换模块、模拟比较器,而且芯片设计采用纳瓦技术,具有非常良好的低功耗特性,待机电流低至50 nA。
另外它还有多个可将单片机从休眠模式下唤醒的中断源,进一步减少了功耗,非常适合电池供电系统的使用。
其引脚功能如图4所示。
在数字控制电路中,必须将模拟信号转换为单片机可以处理的数字信号,通常由A/D转换器(简称ADC)来实现。
PICl6F883单片机内部集成了11通道10位分辨率的A/D转换器,因此不需要外接A/D转换芯片。
(1)电流采样电路设计
采样电流的主要作用是为了实现锂离子电池充电电流最大,因此采样电阻R,。
串联在电池充电回路中,采样电阻上的压降与充电电流的大小成正比。
采样电、路如图5所示。
(2)电压采样电路设计
电压采样电路对锂离子电池的电压进行采样,采样电压是充放电控制的依据。
锂离子电池的最高电压为4.2 V,对其进行两次分压,第一次分压后采样信号的最大值为2.8 V,输入单片机的AN2模拟通道进行A/D转换,根据转换后的值判断锂离子电池应该进人预充电、快速充电还是脉冲充电。
第二次分压后采样信号的最大值为2.16 V,该信号作为单片机内部比较器的反相输入信号,与内部参考电压比较,再通过软件设置将比较结果反转后,由单片机6脚输出给Boost变换器的引脚,控制Boost电路工作或关闭。
电压采样电路如图6所示。
(3)温度采样电路设计
为了防止锂离子电池超温工作,必须采样电池温度。
温度采样通过一个负温度系数(NTC)热敏电阻实现。
电阻贴在电池表面中心位置,因此得到的温度是电池表面温度。
采用的热敏电阻在额定温度25℃时的电阻值为47 k,热敏指数B值为3 950 K(25/50),精度±3%。
温度采样电路如图7所示,热敏电阻与电阻R:。
并联后再与Rz。
串联,当NTC阻值变化时,送给A/D转换通道ANll的采样电压值也发生变化。
若采样得到的电压值超过0.94~2.2 V 的范围,单片机会关闭充电电路,暂停充电,直到电池温度恢复正常为止。
3系统软件设计
单片机是整个系统控制的核心,而所有的控制命令都要由软件来实现。
系统软件要实现以下控制功能:
(1)充电过程的转换与控制。
充电过程包括预充电、快速充电、脉冲充电三个阶段,必须使充电电路在这三个阶段之间正确转换,并在每个阶段执行不同的控制策略,使锂离子电池合理充电。
(2)正确判断锂离子电池是否充满,充满后充电器进入休眠状态。
若充电器电源按钮一直接通,则当电池电压下降到重复充电值后自动重新开始充电过程。
(3)在整个充电过程中一直监测锂离子电池的温度,并进行过温保护。
(4)进行放电控制。
主程序流程设计如图8所示,在主程序中主要完成系统初始化、开中断、调用充电子程序、充电完成处理等功能。
初始化子程序中要进行变量、I/0端口、
比较器、PWM、定时器、中断的初始化。
初始化完成后,启动比较器中断,并根据锂离子电池的电压转人预充、快速或脉冲充电子程序。
UBATT_MAX 是锂离子电池的终止充电电压,设为42 V。
UBATT_MIN是快速充电的起始电压,设为3 V。
当充电完成后,置充电指示灯为绿灯,然后将其余端口设为低电平,修改比较器基准电压为4 V,关闭全局中断使能位,单片机进入休眠状态。
本文设计的锂电池充电器的充电电压和电流及放电电压曲线分别如图9~图11所示,实验结果证明本方案能较好地完成对锂离子电池进行过充、过放和过温保护的功能。