【正文】 種方法：恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電和脈沖充電的優(yōu)缺點上，考慮到雖然恒流恒壓充電需要復(fù)雜得多的電路來實現(xiàn)，但由于其充電時間短，充電效率高，因此本文所設(shè)計的智能電器充電控制部分將采用恒流恒壓充電方法。 智能電源控制器設(shè)計包括三部分：控制電路，充電電路，顯示等外圍電路。并完成這三部分相關(guān)的程序設(shè)計。實現(xiàn)智能充電，液晶顯示，看門狗功能。智能電器工作時不可避免會受到外界的干擾，這些干擾輕則導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯 ,重則將嚴重影響程序的運行。為了保護數(shù)據(jù)，抑制干擾，在單片機智能系統(tǒng)的開發(fā)過程中需要進行可靠性設(shè)計。這里看門狗功能設(shè)計可保證智能電器的正常工作。 最后，給出采用本智能電源管理控制器對鋰離子電池充電的仿真。 第二章 鋰電池充電控制器設(shè)計基本原理概述 鋰電池的測量原理 鋰電池性能參數(shù)及測量方法 1）電池電壓 鋰離子電池的開路電壓與電池的正負極材料、電池的充電狀態(tài)有關(guān)。電池的額定電壓有 和 兩種，目前使用比較普遍的是 的電池。該電池 的充電終止電壓為 ，放電終止電壓一般為(不同的廠商有不同的推薦值 )。從表 [可以看出，鋰離子電池的電壓相當(dāng)于鎳鎘、鎳氫電池的三倍，也就是說，為了得到同樣的電池組端電壓，鋰離子電池的使用數(shù)目只有鎳鎘、鎳氫電池的 1/3，大大減少了電池的數(shù)目，簡化了電池組的設(shè)計、增加了整個電池組穩(wěn)定性。 表 電池工作電壓 Table Battery voltage 電池種類 充電電壓（ V） 額定電壓 (V) 放電終止電壓 (V) 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 但是鋰離子電池對電壓精度的要求很高，誤差不能超過 1%。如果電池的終止充電電壓是 ，那么允許的誤差范圍就是 。終止電壓過高，將會影響鋰離子電池的壽命，甚至造成過充現(xiàn)象，對電池造成永久性的損壞：終止電壓過低，又會使充電不完全，電池的可使用時間變短。 實驗測得充放電時電池電壓隨電池容量變化的關(guān)系。如圖 ，電池終止電壓為 。可以發(fā)現(xiàn)充電時電池的端壓要比放電時高，這是因為電池本身和充放電回路上有一定的電阻。 圖 電池電壓與容量 的關(guān)系 Fig The relationship between the battery voltage and capacity 我們把電阻等效為 dR ， 如圖 ，那么充電時的端電壓表達式為： argO c e ll d c h eV V R I?? () 相應(yīng)的，放電時端電壓表達式為： argO c e ll d c h eV V R I?? () 圖 電池充放電等效回路 Fig Battery charging and discharging equivalent circuit 從這兩個公式可以看出，在充電和放電時 (這里假設(shè)充電電流等同于放電電流 )，電池端壓所表示的值都不是真正電池的電動勢，而是加上了電池組內(nèi)阻的影響。 實驗同時測得不同的放電率下，電池電壓的變化。放電率越大，相應(yīng)剩余容量下的電池電壓就越低，電池終止電壓為 ，如圖 所示。 鋰離子電池的 使用環(huán)境溫度范圍比較寬，可以達到 20～ 60℃。但是環(huán)境溫度對電池的放電容量有很大影響。實驗測得環(huán)境溫度對電池放電的影響，如圖 所示。采用 放電速率，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時，可放出額定容量；當(dāng)環(huán)境溫度為 5℃時，電池容量下降約 5%。電池放電曲線隨溫度的變化如圖 所示。 圖 不同放電率下，電池電壓與容量的關(guān)系 Fig In different discharge rate, the relationship between the battery voltage and capacity 圖 溫度為參變量的放電曲線（電池容量為 650mAh） Fig Temperature parameter for the discharge of the curve 2）電池壽命 鋰離子電池和其他電池一樣，也存在使用壽命的問題。在正確使用的前提下，容量也會隨著循環(huán)次數(shù)慢慢減少。造成這一現(xiàn)象的原因主要有一下兩點： 1) 負極材料 (石墨 )中的鋰逐漸被電解質(zhì)氧化，造成可使用的鋰離子數(shù)目減少。 2) 在循環(huán)中，正極材料的老化，降級，使晶狀結(jié)構(gòu)慢慢遭到破壞，可容納的鋰離子數(shù)目減少 。圖 表示了不同循環(huán)次數(shù)下電池容量的變化。 圖 電池在 1C 的放電率下容量隨循環(huán)次數(shù)的變化 Fig In battery discharge rate of 1C the capacity changes with the number of cycles 3） 充放電電流 鋰離子電池對充放電的最大電流都有一定的限制。充電時，一般常用的充電率為 ～ 1C（ C為電池的容量，比如 1500mAh 的鋰離子電池， 1 C 的充電率即為 1500mA）。在大電流充電時，還應(yīng)檢測電池的溫 度，以防過熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。 同樣的，鋰離子電池的最大放電電流一般限制在 2～ 3C 左右，更大的放電電流會使電池發(fā)熱嚴重，對電池的組成物質(zhì)造成損壞，影響電池的使用壽命。同時，大電流放電還將影響電池能放出的容量，因為一部分能量轉(zhuǎn)化成了熱能。 過充，過放及過溫現(xiàn)象 當(dāng)加在鋰離子電池兩端的電壓超過 時，就會產(chǎn)生過充現(xiàn)象。過充時負極的石墨嵌入的鋰離子完全飽和，鋰將在負極沉積下來，形成鋰枝晶，使電池的容量減少；同時電池繼續(xù)從正極抽出過量的鋰離子，造成正極材料的活性降低，也會對電池的容量造成損害。 過放現(xiàn)象則是電池電壓低于放電終止電壓后，仍然繼續(xù)放電，使電池電壓繼續(xù)降低。過放時，電極產(chǎn)生晶枝，電路迅速短路。雖然此時由于電池已經(jīng)完全放電，不會造成安全方面的問題，但是電池也已經(jīng)遭到了不可恢復(fù)的破壞，不能再繼續(xù)使用了。 過溫時，鋰離子電池中的活性物質(zhì) (LiC6， LiNiO2)與電解液可能會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生更多的熱量。而電解質(zhì)中存在可燃的有機溶劑成分。在這種情況下，電池溫度將失去控制越來越高，最終導(dǎo)致電池燃燒，甚至爆炸。 充電控制器的充電原理 目前鋰電池充電主要有四種方法：恒流充電、恒壓充電、恒流 恒壓充電和脈沖充電。 1）恒流充電（ CC） 恒流充電根據(jù)其充電電流的大小，又可分為浮充充電（又稱涓流充電）、標準充電及快速充電。該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進行充電，如圖 所示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對由多個電池串聯(lián)的電池組進行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。 圖 恒流充電法曲線 Fig Constant current charge curve 2）恒壓充電法（ CV） 在恒壓充電法中，充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電曲線如圖 所示。從圖中可以看出，充電初期充電電流過大，這樣對鋰電池的壽命會造成很大影響。 圖 恒壓充電法曲線 Fig Constant voltage charge curve 3）恒流恒壓充電法（ CC/CV） 在 CC/CV 充電器中，充電通過恒定電流開始。在恒流充電 CC 周期中，為了防止 過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當(dāng)電壓達到設(shè)定的端電壓時，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在 CC充電期間，電池可以以較高電流強度進行充電，這期間電池被充電到大約 85%的容量。在 CV 周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的 1/10 容量時，充電周期完成。恒流恒壓充電曲線如圖 所示。 圖 恒流恒壓充電法曲線 Fig Constant current and voltage charge curve 4）脈沖充電法 脈沖充電方式是比較新的一種充電方式。脈沖 充電法是從對電池的恒流充電開始的，大部分的能量在恒流充電過程中被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。當(dāng)電池電壓上升到充電終止電壓 VCV 后，脈沖充電法由恒流轉(zhuǎn)入真正的脈沖充電階段。在這一階段，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對電池進行充電。每次充電時間為 TC 后 ,