一种锂电池充电器的设计
摘 要: 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
1引言
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。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。目前，由于常规充电技术不能适应各类新型电池的要求，因此严重影响电池的使用寿命。所以要想充分利用电池容量或延长电池寿命，必须极其严格地控制充电参数。再者延长电池寿命的关键是合理选择充电参数，如电流、电压和温度。在充电过程中,施加电压的精度对提高电池的效率和延长电池的寿命具有非常重要的作用。超过充电终止电压将导致过充电，这在短期内会增加电池的供电量,但长期来说则会导致电池失效并产生安全问题。实践证明充电终止电压每提高1%电池的初始容量就会增大约5%。这种显而易见的短期增益效应会对电池的充电/放电次数产生严重的后果。过充电导致了充电次数的减少。另一方面，欠充电尽管不会产生安全问题，但会显著减小电池的容量。所以现在必须要找到一种新的锂电池充电方法。
1.2 锂电池充电器的功能描述
充电器是特为化学电池设计的理想产品,它们使电池的三项关键指标达到最优化，即容量、寿命和安全性。正是锂离子电池在各个领域越来越广泛的应用推动了对锂离子电池充电器的研究。目前一些大的厂家生产的充电器都具有以下特点具备限流保护电流短路与反充保护线路设计自动、快速充电、充满电后自动关断等等。有的还具有 LED充电状态显示、低噪声、模拟微电脑控制系统等特点。由于锂离子的特点使得其对充电器的要求比较苛刻。其要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制精度,精度高于1%。另外，对于电压过低的电池除了需要进行预充、充电终止检测、电压检测外还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施如检测电池温度、限制充电时间为电池提供附加保护由此可见实现安全高效的充电控制已成为锂离子电池推广应用的目标。
按照锂离子电池的特性参数和充、放电曲线完成充电器设计可以完成如下功能：
电池充电功能完成基本的充电功能能按电池的充电曲线，完成恒流/恒压充电；LED指示，电池正在充电，充电器的LED指示灯显示为红色，充电后LED指示灯显示为绿色；保护机制，当电池和充电器的工作温度超过设定范围，或者充电电压出现异常时，系统的红色LED指示灯闪烁,期间隔为0.5s。此外，对于过压和过流状况采取相应的保护措施，保证充电的正常运行；异常处理，系统能在排除异常后，重新恢复充电。
2 锂电池充电器的介绍及系统设计框架
2.1 锂离子电池的介绍
2.1.1锂离子电池的发展及发展进程
锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比,无记忆效应,可重复充电次数多，使用寿命较长，价格也越来越低。它的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越多。锂离子电池的不足之处在于对充电器的要求比较苛刻，对保护电路的要求较高。其要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量,需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度,精度高于1。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电终止检测除电压检测外，还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施，如检测电池温度、限定充电时间，为电池提供附加保护。由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。
2.1.1.1发展进程
1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。
1980年，J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料.
1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。
1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。
1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。
1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。
1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁(LiFePO4)，比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。
由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池生产要在特殊的环境条件下进行。但是由于锂电池的很多优点，锂电池被广泛的应用在电子仪表、数码和家电产品上。但是，锂电池多数是二次电池，也有一次性电池。少数的二次电池的寿命和安全性比较差。
后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，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，它有很多微孔，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，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。
随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在近年逐步向其他产品应用领域发展。1998年，天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上，人们把锂离子电池也称为锂电池，但这两种电池是不一样的。现在锂离子电池已经成为了主流。
目录
摘要 1
1 引言 ............................................................................................................. 1
1.1 课题的背景及目的 ........................................................................ 1
1.2 锂电池充电器的功能描述 ............................................................ 1
2 锂电池充电器的介绍及系统设计框架 ..................................................... 1
2.1 锂离子的介绍 ................................................................................ 1
2.1.1 锂离子电池的发展 ............................................................. 1
2.1.2 锂电池的工作原理及结构 ................................................. 3
2.1.3 锂电池特点............................................................................4
2.1.4 锂电池充电器的充电特性 ................................................. 4
2.2 系统设计框架 ................................................................................ 7
2.3 锂电池充电方法 ............................................................................ 7
2.3.1 恒流充电(CC)、恒压充电CV、恒流恒压充电
CC/CV ............................................................................. 7
2.3.2 脉冲充电 ............................................................................ 8
2.4 锂电池充电注意事项......................................................................9
3锂电池充电器的设计................................................................................... 9
3.1 设计思路 ....................................................................................... 9
3.2 充电器硬件电路设计 ................................................................... 9
3.2.1 锂电池充电器的工作原理图 ............................................ 9
3.2.2 89C51芯片简介 ................................................................ 10
3.2.3 系统指示灯电路 ................................................................ 12
3.2.4 电源电压与环境温度采样电路 ........................................ 12
3.2.5 精确基准电源产生电路 .................................................... 13
3.2.6 开关控制电路 .................................................................... 13
3.3 单片机软件设计 ........................................................................... 14
3.3.1 系统主流程 ........................................................................ 14
3.3.2 充电流程设计 .................................................................... 15
4参考文献(附录) .............................................................................................16
5毕业设计总结 ............................................................................................17
参考文献
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[9]栾城强.单节锂离子电池充电器[J].电子技术应用.2006
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