本科毕业设计论文--锂电池快速充电系统的设计

锂电池快速充电系统的设计

摘要：充电技术是影响电池寿命和使用性能的重要因素，寻找有效的充电控制方法，有助于增强电池的使用性能，延长其使用寿命。本文分析了锂电池快速充电的方法。将整个充电过程分为预充电、恒流充电、恒压充电、涓流充电四个过程。根据此充电方法设计了一种以51单片机为控制核心的锂电池充电系统。整流电路得到的直流电一部分提供给单片机、ADC0808等芯片的供电电压，另一部分提供给电池充电。单片机根据A/D转换器得到的不同电压数值，输出控制不同的PWM波占空比，占空比改变后电池充电的电压值也相应发生变化。PROTUES仿真中，通过改变滑动变阻器的数值来模拟被充电电池两端电压的变化，三个八位数码管可以实时显示出此电压值的变化，在电压从低到高变化的过程中，可以从示波器看到四中不同的PWM波的占空比，以此来显示四个不同的充电过程。

关键词：快速充电，单片机，protues仿真

The design of Lithium battery quick charging system Abstract: The charge technology is an important factor that influence te life-span and performance of the batteries. So it is helpful to enhancing the performance and prolong the life-span of the batteries to find a effective charge control mode. This paper analyses the method of quick charge used for the lithium battery. This charging process can be divided into four steps ,which including the precharge、the constant current charge、the constant voltage charge、the trickle charge. The paper designs a kind of SCM-51 as control core of lithium battery charging system, according to this charging method. One part of the direct current got from the rectifier circuit supports the normal work the SCM、ADC0808. Another part of it used for charging the battery. The single-chip microcomputer can get different voltage dates depending on the A/D converter, so it can output different duty cycle of PWM, the charge voltage can be changed according. In the protues simulation, we can imitate the voltage variation of the charged battery by changing the slide rheostat value, three eight digital tube can be showed the real-time voltage change. In the process of voltage change from low to high,we can get four different duty cycle from the oscilloscope, so as to display the four different charging process.

Keywords: quick charge，single-chip microcomputer，the protues simulation

目录

1. 绪论 (1)

1.1 课题研究的背景及意义 (4)

1.2 本课题研究的基本内容和目的 (4)

2. 锂电池充电相关理论介绍 (6)

2.1 电池充电理论基础 (6)

2.2 快速充电方法的研究 (8)

2.3 脉冲快速充电原理 (9)

2.3.1 预充电 (9)

2.3.2 恒流充电 (9)

2.3.3 恒压充电 (9)

2.3.4 涓流充电 (10)

3. 锂电池快速充电控制系统设计 (11)

3.1 总体方案设计 (11)

3.2系统硬件设计 (12)

3.2.1 充电器主电路设计 (12)

3.2.2充电器控制电路的设计 (15)

3.3 整体电路设计 (22)

4. 系统软件设计 (24)

5. protues 仿真结果 (25)

6. 结论 (28)

参考文献 (29)

致谢 (31)

附录 (32)

1. 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

据环境部门统计，目前大气污染的42％来源于交通运输，随着人们生活水平的提高，汽车保有量会迅速增加，污染的比例也会相应提高，预计到2010年汽车尾气造成的大气污染将占空气污染的64％，这将严重破坏和影响人们赖以生存的地面生态系统。随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧，世界公认的最有发展前景的解决方案是电动车。开发实用、安全、清洁的移动电源，寻求相关的节能、环保解决方案一如发展新型电动车，成为当前各国的迫切任务[1]。

中国对汽车的需求量日益增加，现已成为世界上第三大汽车消费国。在以后的十年里中国汽车的需求量将稳步上升，将成为世界上第二大汽车市场。到2013年预计中国汽车需求量将达到1100万辆，但人均保有量低，预示着国内汽车市场潜力仍然巨大。我国早已把电动车的研究开发项目列为“十五’’期间国家“863"计划中的重大项目。电动车是完全由二次电池如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池提供动力的汽车。由于电动车完全消除了车辆在运行中的废气排放，完全使用二次能源一电池，使其更符合能源持续利用战略电动车节能，无尾气排放，无噪音，缓解了机动车尾气对大气的污染是解决环境与能源问题的有效途径。而且电动车的充电可以利用夜晚用电低谷时间完成，这可以大大缓解供电、用电矛盾中对电力储备能力的要求。因而随着技术水平的进步，电动车、电动汽车具有较为广阔的发展前景[2]。

本次毕业设计就是针对解决锂离子电动自行车充电器充电慢的问题而选题的，旨在开发一个根据电池饱和程度充电电压改变的快速充电模式，并可以在较短时间之内可以将电池充好的快速充电器（电池规格36V、10A），以解决长时间反复等待电池充电的困扰。

1.2 本课题研究的基本内容和目的

充电技术是影响电池寿命和使用性能的重要因素，寻找有效的充电控制方式及电池智能化的管理途径，有助于增强电池的使用性能，延长其使用寿命，提高相关设备的工作可靠性。

目前市场上使用的所谓快速充电器，并不是严格意义上的阶段式充电器，据相关部门统计资料显示，市场上以上的充电器存在各种质量隐患。这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化现象，严重影响电池的品质。致使充电容量达不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。因此，研制真正意义的快速充电装置具有重要的实用价值，对于提高充电效率、延长电池寿命，节约能源及减小环境污染具有重要的意义[3]。

本课题设计的快速充电器，其快速主要体现在对电池准确的充电阶段控制上，能够根据锂电池所剩电量采取不同的充电方法。根据锂电池本身的特性和对锂电池充电得出的数据，在对锂电池充电的过程中电池两端的电压与其充电电流有很大关系，我们可以据此根据检测锂电池两端电压，来分阶段，采取不同的充电方法。所以文章主要完成的内容有以下几点。

第一，有关电动自行车锂电池的电化学原理和充放电原理。

第二，关于充电器对锂电池充电的原理及其电路设计。

第三，交流电流对电池充电的原理及其特点。

第四，充电器对充电过程的检测及其自动转换。

第五，电路设计及其元件的选择调试等。

2. 锂电池充电相关理论介绍

2.1 电池充电理论基础

上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

图2.1最佳充电曲线

由图2.1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板(正极板产生氧气)，使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。

锂蓄电池放电及充电的化学反应式如下。

充电正极上发生的反应为：

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为：

6C+XLi++Xe- = LixC6

充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6

很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，

为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行, 这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。

一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。

a) 欧姆极化

充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。

b）浓度极化

电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部，电解质浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。

c）电化学极化

这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。

这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。

2.2 快速充电方法的研究

为了能够最大限度地加快锂蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展[3]。

下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。

a) 脉冲式充电法

这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。

b) Reflex快速充电法

这种技术主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。

Reflex充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。

c)变电流间歇充电法

这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将

电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

d)变电压间歇充电法

在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。

由以上分析可以看出：变电压间歇充电法更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

2.3 脉冲快速充电原理

基于上述理论，并考虑到蓄电池自身的一些特性，本文介绍的快速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为了预充电、恒流充电、恒压充电、涓流充电4个阶段，根据电池充电时的检测电压数值，由控制器按程序设定进入不同的充电阶段。

2.3.1 预充电

对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。

2.3.2 恒流充电

电流维持在恒定值的充电。是一种广泛采用的充电方法。蓄电池的初充电，运行中的蓄电池的容量检查，运行中的牵引蓄电池的充电以及蓄电池极板的化成充电，多采用恒流或分阶段恒流充电。此法的优点是可以根据蓄电池的容量确定充电电流值，直接计算充电量并确定充电完成的时间。

2.3.3 恒压充电

充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用

恒定电压快速充电。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。这种充电方法避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。

2.3.4 涓流充电

为补偿自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。又称维护充电(浮充）。电信装置、信号系统等的直流电源系统的蓄电池，在完全充电后多处于涓流充电状态，以备放电时使用。经过前三个阶段之后，虽然系统电量接近100%，但实际上电池并未真正达到饱和状态。此时剩余的容量只能靠微小的脉冲电流补充，这个阶段通常需要的时间较长。四个阶段全部完成，电池才能真正达到电量饱和的良好状态。

3. 锂电池快速充电控制系统设计

3.1 总体方案设计

基于蓄电池的充电理论，充电器主电路采用半桥变换器高频开关稳压电源。而控制电路通过单片机控制。电网点先经过各种保护环节，在通过EMI滤波器除去共模信号。桥式整流后，通过两电容分压，分压后与两开关管V1、V2相联。组成半桥式功率变换器，将正弦交流电压变换成约高于充电电压的脉冲电压。在经过半桥滤波和LC滤波电路使电压达到一较稳定值。

控制电路由单片机AT89C51组成，电源由电网交流电经过变压器变压、全桥整流、稳压管稳压后提供。单片机通过ADC0808检测电池的充电电压，并通过数码管显示出电压数值，从而根据设定的程序控制开关管的通断，以进入不同的充电阶段。特别指出的是，数码管的显示数值从低于180变化到255。对应的电压数值为从低电压到正常电压。

硬件整体设计框图，如图3.1所示

图3.1 硬件整体设计框图

3.2系统硬件设计

3.2.1 充电器主电路设计

1）整流电路设计

如下图3.2所示是无源功率因数校正电路，这个电路称为TLC整流电路，由传统的LC滤波器电路附加一个抽头电感、一个小电容和一个二极管构成。TLC整流电路与基本LC滤波器的主要差别是，由谐振支路产生的附加电流分量在两个方面改变了输入电流波形：一是降低低次谐波分量，二是减小电流峰值。该电路能够以小得多的电感尺寸来满足电磁兼容标准。

图3.2 无源功率因数校正电路

单相整流电路的无源功率因数校正技术是在整流电路中用LC滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波，提高功率因数。无源功率因数校正由于采用电感、电容、二极管等元器件代替了价格较高的有源器件，因而使开关电源的成本降低。虽然采用无源功率因数技术所得到的功率因数不如有源功率因数校正下的高，但仍然能使电路的功率因数提高到0.9，电流谐波含量降到40％以下，因而这种技术在中小容量的电子设备中被广泛采用。

由于单相半波整流只利用了电源电压的半个周期，同时整流电压的脉动较大。为了克服这些缺点，这里采用全波整流电路——单相桥式整流电路。单相桥式整流电路由4个整流二极管接成电桥的形式构成，如图3.3所示。

图3.3 桥式整流电路

由电路图可知，无论电压U2是在正半周还是负半周，负载上都有相同方式的电流流过。因此，在负载得到的是单相脉动电压和电流。忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形图3.4如下。

Ud

O wt

图3.4 桥式整流电路的输出波形

2）半桥逆变电路

半桥逆变电路由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。电路图如图3.5所示。直流侧接有两个相互串联切足够大的电容器C1和C2，满足C1=C2。

输出电压U4周期为TS矩形波，其幅值为1/2U3。当V1或V2导通时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量。而当D1或D2导通时，负载电流和电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，即负载将起吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈的能量暂时存储在直流侧的电容中。该电容起缓冲这种无功能量的作用。半桥逆变电路输出电压波形如图3.6所示。

图3.5半桥逆变器电路

图3.6 半桥逆变电路输出电压波形

3）开关变压器的设计计算

开关变压器的磁化特性工作在第一、第三象限，它的磁通变化可以从－BM到＋BM，属于对称式工作变压器。主变压器施加电压只有一半输入电压值1/2U4(＋132V)。开关管的反向耐压比较低。在两功率管交替开关作用下，变换器原边可产生幅值280V的方波电压。经变压器整流滤波输出，实现功率转变。

4）变频整流电路

变频整流电路由两个整流二极管和一个LC滤波电路组成，使半桥逆变器输出的脉冲电压成为一个比较稳定的直流电压。整流前后电压波形如下图3.7所示。

图3.7 整流前后的波形

3.2.2充电器控制电路的设计

1）控制方式

根据蓄电池脉冲快速充电理论，可利用单片机的输出脉冲控制半桥式变换器的两个开关管V1、V2的通断。单片机通过AD检测电路在充电过程中对蓄电池进行检测并做出相应的控制处理。

电池在充电过程中，两端的电压逐渐升高，伴随电压升高，其充电电流也由大到小逐渐变化，我们很难得到这两者的严格数学关系曲线，但二者呈线性关系，这个特性为我们只根据电压值来判断电池的充电状态提供了可能性，即我们可以根据ADC0808检测到电池的电压值，单片机输出控制作用，改变PWM波的占空比来完成预充电、恒流充电、恒压充电、涓流充电四个过程。其中，需要判断充电电流是否大于或小于某个值时，我们根据检测到的电压值来判断。经查阅资料我们可以得到在充电过程中，充电电压、电流的关系的经验值。开关管V3将单片机的PWM 波输出变为对电池充电的开关控制。当PWM波为高电平时，V3导通，切断了电池的充电过程，V3关断时，正常给电池充电。从后面原理图中，我们会看到V3

导通，极大分流了充电电流，近似看做终止充电，关断时，正常充电。检测电压支路，分流的充电电流很小，看做对正常充电无影响。这样，通过开关管V3的通断，实现了对电池充电的通断。PWM波为高电平时，V3导通，停止充电，PWM波为低电平时，V3高电平时，正常充电。在电池电压从小变大的过程中，单片机会输出四种占空比不同的PWM波，通过V3的通断，实现以四种不同方式给电池充电。在整个充电过程中，半桥逆变电路的两个开关管V1，V2交替导通，频率不发生变