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

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Abstract

Electronic information technology’s fast development causes various electronic products develops toward portable and the small lightweight direction. It also causes the more electrification products to use based on battery’s power supply system. At present, more use of a nickel-cadmium batteries, nickel hydrogen, lithium batteries and lead-acid batteries, as their respective advantages and disadvantages of allowing them for a long period of time will be the development of coexistence. Because the different type battery’s charge characteristic is different, usually to different type, even different voltage, capacity rank battery use different battery charge, but this has many inconvenience in the actual use. This topic design is one kind lithium ion battery intelligent charger which is based on Single Chip, in the design, it has chosen succinctly, the highly effective hardware, the design stable reliable software, explained in detail system’s hardware composition. Including the monolithic integrated circuit electric circuit, the charge control electric circuit, the voltage transformation and the light pair isolating circuit, and to this design –MAX1898 charge chip, at 89C2051 monolithic integrated circuit has carried on the detailed introduction. At this introduction, it illustrates the intelligent charger control system how to achieve.

Key words: Single Chip; Intelligent charger; Lithium batteries; AT89C2051

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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 2.1.1 Li-SO2电池 ......................................................................................... 3 2.1.2 Li-(CFx)n电池 ................................................................................... 3 2.1.3 Li-SOC12电池 ...................................................................................... 4 2.1.4 Li-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 .......................................................................... 20 3.2.3 MAX1898的充电工作原理..................................................................... 22

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3.3 充电控制电路的实现 .............................................................................. 26 3.4 电压转换及光电隔离器 ........................................................................... 25 4 智能充电器控制系统的软件设计 ................................................................... 28 4.1 系统主程序 ........................................................................................... 28 4.2 主要变量说明........................................................................................ 28 4.3 程序流程图 ........................................................................................... 28 5 智能充电器控制系统的总结与展望 ................................................................ 31 5.1 总结 .................................................................................................... 31 5.2 本设计存在的问题 ................................................................................. 31 5.3 充电控制的未来发展趋势........................................................................ 31 参考文献 ........................................................................................................ 33 致 谢 ........................................................................................................... 34 附录A 智能充电器及其控制电路的电路图 ....................................................... 35 附录B 主要源程序 ....................................................................................... 36

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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。

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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。

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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]。

2.1.1 Li-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。

2.1.2 Li-(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 (+)

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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。

2.1.3 Li-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

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Li2S在 145C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。

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2.1.4 Li-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 120C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℃。

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在真空干燥箱中，称取 106.5g LiClO4 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：Li??e??6C?LiC6

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正极反应：LiMO2?Li(1?x)MO2?xLi??xe? 总反应式：LiMO2?6xC?Li(1?x)MO2?xLiC6

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。

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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。

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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温度，并且根据检测参数控制充电过程。

（1） 电池电压检测

在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充电转成小电流充电。采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。控制电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低[12]。 （2） －ΔV检测

电池充电过程的充电电流是通过检测充电末期的电压降来进行控制的，－ΔV控制系统框图如图2-6所示。采用－ΔV控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若－ΔV检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。电池的充电电流、电流电压和充电时间的关系如图2-7所示。

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图2-6 －ΔV控制系统框图

图2-7 充电电流、电池电压和充电时间的关系

2.4 充电器的特点及发展

对充电器的要求是：安全，快速，省电，功能全，使用方便，价格便宜。 快速充电器的安全更为重要，终上快速充电的检测方法要可靠，精确，以防止过充电。另外，一些充电器集成电路还设有充电间定时器作为一种附加安全措施。

功能全的充电器一般具有电池电压检测功能。若充电电池的电压大于终止放电电压，为防止“记忆效应”产生，应先放电至终止放电电压，然后自动充电。先进行快速充电，到终止快速充电时自动转化涓流充电。各个充、放电过程都有LED指示。功能齐全的充电器还应具有自动充电率的设定、充电电池数的设定、涓流电流大小设定、定时器时间设定、充电前电池状态测定（判断电池好坏及安装是否良好）等功能，并可根据电池的温度来选择充电参数（电池温度过低时不宜快充）[2]。

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当充电电流较小时可采用线性电源，充电电源较大时常采用开关电源，它既省电又解决发热问题，并有可能由市电直接整流经AC/DC变换获得低压直流电，可省去笨重的工频变压器。

早期的充电器是没有处理器的，它主要帽充电器集成电路及电源部分组成，其内部结构较复杂，引脚也较多。一般的功能较完善的充电器结构框图如图2-8中AA线右边所示。

图2－8 智能充电器结构图

目前，市场上有大量的电池管理芯片，针对充电器开发的电池充电管理芯片很多，可以直接使用这些芯片进行充电器控制系统的设计。

但是，对充电器实现的控制方式不同导致其充电效果不同。由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充,一般充电到90%就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。一般的，为了使得电池充电充分，容易造成过充，表现为有些充电器在充电终了时电池经常发烫，电池在充电后明显发烫一般说明电池已过充。设计比较科学的智能充电器采用专业充电控制芯片。这些芯片往往具有充电过程控制，加上单片机对充电后的功能，如图2-8所示。还可以加入关断电

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源、蜂鸣报警和液晶显示等，就可以完成一个比较实用充电器。但本设计中，主要介绍充电控制系统设计与访真，对其他功能不作细说。

2.5 充电控制技术

2.5.1 快速充电器介绍

快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为0.3～2小时率电流。小时率电流值是由公式C（Ah）/t(h)规定的，其串C代表电池额定容量，t代 表时间。例如用1小时率电流对5号锂电池快速充电，根据0.5(Ah)/1(h)=500(mA)，即采用500mA的充电电流（一般慢速充电，选用10小时率电流）[15]。

性能完善的快速充电器，其原理图如图2－9所示：

图2－9 快速充电器原理框图

其中的主控制电路有多种类型： （1） 定时型

对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电，使用很方便。由于定时器制容易，所以常用它自定快速充电器。自制时，为了充电安全，最好选大于5小时率的电流充电。

（2） 电压峰值增量ΔV型

有时可充电电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值之生的微量下降，以控制充电结束，达到自充电的目的。这也称为－ΔV法。由于这种控制电路比较复杂故不适于自制。

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(3) 其他主控制电路

主控电路除了上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制（PWM）控制电路。温度监测常用热敏电阻监测电池温度。当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。只有它复位后，才能启动再次转入快速充电。但在本次设计中，用到的PWM调制控制电路。

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2.5.2 快速充电终止控制方法

充电控制技术是本次设计的核心部分，它也是充电系统中软件设计的核心部分。根据充电电池的原理，将锂电池的电压曲线分为三段，具体见图2－10

图2－10 锂电池的充电特性

锂电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。 （1） 在充电前半段，电压是逐渐上升的。

（2） 在电压达到4.2V后，内阻变化，电压维持不变。 （3） 整个过程中，电量不断增加。

（4） 在接近充满时，充电电流会达到很小的值。 经过多年的研究，已经找到了较好的充电控制方法：

（1） 首先使用恒流进行充电，使电压基本达到4.2V。安全电流为小于0.8C。 （2） 恒流阶段基本能达到电量的80%。 （3） 转为恒压充电，电流逐渐减小。

（4） 在电流达到较小的值（如0.05C）时，电池达到充满状态。若此时停止充电，电

池会自放电。为防止自电放现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。

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这种恒流-恒压的充电方式能很好的达到电池的充满状态，并且不损害电池，已经成为锂电池的主要充电方式。当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态：恒压充电时，保持充电电压不变。由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。

电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制等多种终止充电的方法。

（1）定时控制：该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。

这种控制方法比较简单，但有其缺点：充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充电不足，有时电池可能过充电，因此，当充电速率小于0.3.C时，才采用这种方法。

（2）电池温度控制：为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电，常用的温度控制方法有：

最高温度（TMAX）：充电过程中，通常当电池温度达到40.C时，应立即停止快速，否则会损害电池。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。

温度变化率：电池充足电后，电池温度迅速上升，而且上升速率基本相同，当电池每分钟上升1.C，应当立即终止快速充电。应当说明，由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的，因此，为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。

采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，因此，不能准确的检测电池的充足电状态。

（3）电池电压控制：在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有：

最高电压：从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点

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是：电池充足电的最高压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已充足电。

电压负增量：由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池已充足电。这种控制方法的缺点是：从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足时，由于检测到了负增量而停止快充。

（4）综合控制法：以上各种控制方法各有其优缺点，由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。

考虑到定时控制、温度控制、最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性，有的系统中锂电池的充电终止也采用控制法。锂电池是以零增量检测为主，时间和电压检测为辅助检测手段。当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出现，若出出零增量，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态；在充电过程中，系统会直直判断充电时间及端电压是否到达或超过了充电保护条件。若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充维护状态。

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3 智能充电器控制系统的硬件设计

3.1 AT89C2051单片机的功能概述与引脚说明

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处器，俗称单片机[1]。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMWL高密度非易存储器制技术制造，与工业标准MCS－51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C系列单片机为很多控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[8]。这里首先介绍AT89C51的结构与特，89C51单片机引脚如图3-1所示

图3-1 89C51引脚图

（1） AT89C2051主要性能参数：

? 与MCS－51兼容 ? 4K字节可编程闪烁存储器 ? 寿命：1000写/擦循环 ? 数据保留时间：10年 ? 全静态工作：0Hz－24Hz ? 三级程序存储器锁定

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4 ISET CT 1.与电池充电电流成比例的模拟输出,。 2.通过设定ISET与GND之间的电阻可改变充电电流。 安全充电时间控制口，电容10uF时，充电时间为3小时。 自动重启控制，如果电池降低电池规定的电压下0.2V，一个新6 RSTRT 的充电周期又开始。接地后自动重启功能有效，充电完成时漏极电流为40uA。如果悬空，充电时间耗尽，只能通过EN/OK来触发重启，充电完成时漏极电流为4uA。 7 8 9 10 BATT GND DRV CS 电池输入端。 地 外部晶体管驱动，该脚接外部PMOS/PNP的栅极/基极。 充电电流输入端，接PMOS/PNP的。源极/极电极。 5 3.2.3 MAX1898的充电工作原理

MAX1898外接限流型充电电源和P沟道场效应管，可以对锂电池进行安全有效的快充，其最大特点是：在不使用电感的情况下，仍能做到很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时间的限制可为锂电池提供二次保护。MAX1898的浮云方式能够使电池容量充至最大。MAX1898的典型充电电路图如图3-6所示。

图3-6中MAX1898的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、温度检测器和主控电路。输入电流调节器用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流。当检测到输入电流大于设定的六限电流时，能过降低充电电流从而控制输入电流。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和。这将使电源成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低充电器对直接电源的要求，同时也简化了输入电源的设计。

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图3－6 MAX1898的典型充电电路

（1）

电源输入：锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需

要恒流恒压，一般的，可以采用直流电源加下变压器提供。

（2） （3）

输出：MAX1898通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。 充电时间的选择：MAX1898充电时间的选择是通过外接电容大小决定

的。标准的充电时间为1.5小时，最大不要超过3小时，根据这个标准确度，可以计算得到外接的电容的容值，如下所示：

定时电容C和充电进Tchg的关系式满足：C[nF]=34.33*Tchg[hours] （4） 1400/Rset

设置充电电流：MAX1898充电电流和限流阻Rset的关系式满足Imax＝

当充电电源和电池充电电流达到快充电流的1%，或者是充电时间超出片上预置的充电时间。MAX1898能够自动检测充电电源，没有电源时关断以减少电池的漏电。启动快充后打开外接的Ｐ型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P沟道场效应管打开时间会越来越短，充电结束时，LED指示灯会呈现出周期性的闪烁。具体闪烁含义如下表3-3所示：

表3-3 LED指示灯状态说明 充电状态 电池或充电器没有安装 快充或脉冲浮充 快充结束或初始化 充电结束 23

LED指示状态 关闭 亮 LED以2Hz频率闪烁 LED闪烁周期为4s 武汉科技大学本科毕业设计

锂离子电池具有较高的能量重量比、能量体积比，具有记忆效应，可重复充电多次，使用寿命较长、价格也越来越低。锂离子的这些特点使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越我。然而，锂离子电池的不足之处在于对充电器比较苛刻，因此需要对智能充电器进行有效的控制。

为了有效利用电池容量，需将锂离子电池充至最大电压，但过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，还需要控制充电过程以对电池提供保护。

在MAX1898内置的充电控制和外围的单片机控制下，充电过程分为预充、快充、满充几个部分。以下分别介绍：

(1)预充：在安装好电池之后，接通输入直流电源，当充电其检测到电池时将定时器复位，从而进入预充过程，在此期间由CT外接电容确定，如果在预充阶段内电池电压达到2.5V，则进入快充过程；如果超过预充时间后，电池电压低于2.5V，则认为电池不可充电，充电器显示电池故障，由单片机发出故障指令，LED指示灯闪烁。

(2)快充：快充过程也称为恒流充电，此时充电器以恒流电流对电池充电。根据电池厂商推荐的充电速率，一般锂离子电池大多选用标准充电速率，充满电池需要1个小时左右的时间。恒流充电时，电池电压将缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压，恒流充电终止，充电电池快速递减，充电进入满充过程。

(3)满充：在满充过程中，充电电流逐渐衰减，直到充电速率降到设置值以下或满充时间超时，转入顶端截止充电；顶端截止充电时，充电器以极小的充电电流为电池补充能量。由于充电器在检测电池电压是否达到终止电压时有充电电流通过电池内阻，尽管在满充和顶端截止充电过程中充电电流逐渐下降，减少了电池内阻和其他串联电阻对电流端电压的影响，但串联在充电回路中的电阻形成的压降仍然对电池终止电压的检测有影响。一般情况下，满充和顶端终止充电可以延长电池5%－10%的使用时间。

(4)断电：当电池充满后，MAX1898芯片的2引脚发送的脉冲电平被单片机检测到，引起单片机的中断，在中断中判断出充电完毕的状态。此时，单片机将通过P1.2口控制光耦，切断7805向MAX1898芯片的供电，从而保证芯片和电池的安全，同时也减少功耗。

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3.3 电源电路及光电隔离器

由于MAX1898输入电压范围为4.5-12V。锂电波要求充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般采用直流电源外加稳器实现，这里使用三端稳压LM67805，因为其外围电路简单且输出功率稳定。另外，需要实现51单片机对MAX1898的智能控制，因此要加入光耦进行电器隔离，方便设计。

光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的元件，对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。当输入端加电信号时发光二极管（LED）发出光线，使之发出一定波长的光，受光器接收后就产生光电流，从输出端流出，从而实现“电—光—电”转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

图 3-8 电压转换及光耦隔离部分原理图

U3为输出+5V的电压转换芯片LM7805，它将12V的输入电压转换为固定的5V输出；U4为光耦隔离芯片6N137，其输入LM7805产生的5V电压，输出为经过隔离的5V电压，U4的2脚和单片机的P2.0相连，由单片机控制适时地关闭充电电源。

本次设计选择了6N137光耦合器。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850nm波长和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离。

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1）特性：

①转换速率高达10MBit/s; ②摆率高达10kV/us; ③扇出系数为8; ④逻辑电平输出; ⑤集电极开路输出; 2）工作参数

最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压(输出高)：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL负载)：8个(最多) 工作温度范围：-40°C －5°C 典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等

6N137光耦合器的内部结构、管脚如图3-9所示。

图3-9 6N137光耦合器

3.4 充电控制电路的实现

3.4.1 电路原理和器件选择

在这里只是列出和本次设计相关的的，关键部分的器件及在电路中的主要功能： （1）AT89C2051：充电器的控制，控制MAX1898的充电过程，并在充电完毕切断电源

（2）MAX1898：电池充电芯片，在单片机的控制对锂离子电池的充电控制。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8td7.html