【正文】 開關(guān)電源模塊上的變阻器來調(diào)節(jié)的，當(dāng)恒壓恒流切換電路模塊把恒流充電狀態(tài)切換成恒壓充電狀態(tài)進行充電，這個恒壓值就是通過這個變阻器來設(shè)定的。充電器采用 4 個導(dǎo)線，兩根是充電線，兩根式采樣線。 開關(guān)電源的工作方式：它的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，（一開一關(guān)，一 開一關(guān)，頻率非常快，一般的平板開關(guān)電源頻率在 100~200KHz，模塊電源在 300~500KHz）．這樣他的損耗就小，效率也就高，對變壓器也有了要求，要用高磁導(dǎo)率的材料來做。一定時間后，開關(guān)斷開，由于電感 L的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。 開關(guān)電源大體可以分為隔離和非隔離兩種 ， 隔離型的必定有開關(guān)變壓器 ， 而非隔離的未必一定有。如輸入電壓增加時，可增大可變電阻 R的阻值，使輸人電壓的增加量全部降在它的兩端，這樣，輸出電壓即可維持不變；輸入電壓減少時，可 減小 R 的阻值，使它兩端的壓降隨輸入電壓的減少而減少，以維持輸出電壓不變；若輸人電壓不變，而負載電流變化，這時也可通 過改變可變電阻 R的阻值，使它兩 端的壓降不變，即輸出電壓＝輸入電壓 — 可變電阻兩端的壓降。為了提高充電器的效率，設(shè)計中直接采用了 7組獨立的成品開關(guān)電源為其供電。因此，保護電路設(shè)計有電壓比較器，當(dāng)整組輸入電壓大于保護電壓時， 保護電路動作，切斷所有充電器的供電，停止對電池組充電，以使電池組降溫冷卻。除充電功能外，單體充電模塊可提供對單體電池的過壓、欠壓保護。本設(shè)計中要求在完成充電并待電壓穩(wěn)定后各單體單池電壓差 。該電流直接影響到充電時間的快慢。 10%，輸入頻率 50Hz177。 功能設(shè)計要求 35Ah 鋰離子電池組為 2 并 7 串組成，共 14 支單體電池。 鋰 離子電池組用充電器的應(yīng)用 研究目的 當(dāng)今社會，由于許多鋰離子電池產(chǎn)品，像手機、 數(shù)碼相機 相機 、 PDA 等一系列和人生活密切相關(guān)的，幾乎是每個人每天都要使用的產(chǎn)品的被生產(chǎn)，越來越多的安全問題也隨之產(chǎn)生，而在這許多的安全問題之中，絕大部分是來自于鋰電池充電器。由于在采樣線上不通過電流，所以采樣線上的壓降是 0，這樣，采樣的精度和間隙采樣的精度一樣，都是有著很高的采樣精度。但是，由于連接線存在的一定的電阻，當(dāng)連接線很短的充電電壓（ U） 充電時間（ t） t1 恒流充電 恒壓充電 0 U0 U1 充電電流（ I） 充電時間（ t） t1 恒流充電 恒壓充電 0 I1 17 時候，我們可以忽視其電阻，采樣的精度就會很高；但是，當(dāng)電源和電池有一定的距離時，也就是說采樣點和電池有一定的距離時，由于 U=IR，連接線上會消耗一定的電壓，導(dǎo)致采樣的電壓 =電池兩端的電壓 連接線上消耗的電壓，這樣就導(dǎo)致采樣的電壓和電池兩端的電壓存在比較 大的 偏差，也就是說采樣精度很差。 如圖 25所示， 是充電過程中充電電流 I和充電時間 t 的關(guān)系。 如圖 23 所示，采用專用控制芯片進行充電控制，充電控制芯片一般本身具有脈寬調(diào)制 PWM 型開關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能，具有采樣電路。電池充電器集成電路可以在整個溫度范圍內(nèi)提供 177。充電電流 (mA) 充電電流大于電池容量的 10％，小于等于 15％時： 充電時間（小時）＝電池容量（ mAH） 247。這種做法可以緩解由于反電勢消耗充電電流所產(chǎn)生的熱量積累，從而進一步控制溫度。 使用快速充電器的另一個問題是，當(dāng)充電時間到了之后如果忘記停止充電，對電池的傷害要遠大于慢速恒流充電器過充產(chǎn)生的傷害。當(dāng)然在很多時候并不能計算出正好的時間，可以挑離得最近的半小時以方便記時。在以蓄電池為工作電源或備用電源的用電場合，充電器具有廣泛的應(yīng)用前景。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在 1C 以下，只適合于中小電流的電器使用。 循環(huán)壽命高 在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過 500次。因此，在電池上有保護元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。 8 （ 5）電池外殼 —— 分為鋼殼（現(xiàn)在方型很少使 氟磷酸鋰的碳酸 用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負極引出端 。在 Liion 的充放電過程中，鋰離子處于從正極 → 負極 → 正極的運動狀態(tài)。電池組裝完成后電池即有電壓 ， 不需充電 ， 這種電池也可以充電 ， 但循環(huán)性能不好 。 充電器 （圖 11 所示） ，指的是一種將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的設(shè)備。 Implementation of single charger。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。本文 先介紹了鋰離子 電池的各個方面，然后介紹了普通鋰離子充電器的分類、 充電 時間 的 計算等方面，最后介紹了 本設(shè)計中的鋰離子電池組用充電器的工作原理、工作流程和 設(shè)備硬件的總體設(shè)計方案。 Structural design 4 目錄 摘要 …………………………………………………………………………………… 2 ABSTRACT…………………………………………………………… .… 3 1 緒論 …………………………………………………………………… ...6 2 鋰離子電池組用充電器的概述 ……… ..……………………………… .7 鋰離子電池 ………………………………………………………… … ..7 鋰離子電池的概述 …………………………………………………… 7 鋰離子電池的組成 …………………………………………… … …… 7 鋰離子電池的種類 …………………………………………………… 8 鋰離子電池的優(yōu)缺點 ……………………………………………… … .8 充電器的背景 …………………………………… …………… .……… .10 充電器的分類 ……………………………… ……………………… ...10 充電器的充電時間計算 ……………………………… …… .……… .....13 充電器國內(nèi)外的現(xiàn)狀 ………………………………………… .……… .13 鋰離子電池組用充電器的原理 ………… ………………… ……… ..… … ..14 鋰離子電池充電器的組成 ……………………………………… .…… ..15 鋰離子電池充電器的工作過程 ………………………………… … ....… .15 鋰離子電池組用充電器的應(yīng)用 …………………………………… .… .… ..19 研究目的 ……………………………………………… …… …… .… ..19 研究意義 …………………………………………………… .… ..…… 20 3 鋰離子電池組用充電器的設(shè)計 …………………………… ……… ..… ..20 ……………… ………………… .… .… 20 鋰離子電池組充電器設(shè)計要求 ……………………………… … … … .… 20 5 主要技術(shù)參數(shù)要求 ………………………………… ……… ………… 21 電氣設(shè)計 …………………………………………… ……………… … .22 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計 …………………………………… ………… ..… … … .22 單體充電器設(shè)計 ……………………… ……………… ..…… … .…… .25 結(jié)構(gòu)設(shè)計 …………………………… ……………………… … … .…… 29 外形設(shè)計 ……………………………………… …………… … … .… .29 布線設(shè)計 …………………………… ………………… … ……… … ..30 4 鋰離子電池組用充電器的實現(xiàn) …………………… … … … ………… … 31 單體充電器的實現(xiàn) ………………………… ………………… … ……… .31 恒壓恒流電路實現(xiàn) …………………… …………………… … ……… .31 恒流源的電路實現(xiàn) ………………… ……………………… … ...…… .39 LM339 電壓比較器 ………………… … ………………… … ...……… ..42 恒壓恒流轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn) ………………… ……………… … ...… .…… .43 保護電路實現(xiàn) ………………………… ……………… ..… ...………… .44 溫度保護電路實現(xiàn) …………………… ………………… … ………… 44 整組電壓保護電路實現(xiàn) ……… ………………………… … …… .…… 48 制作效果 ………………… …………………………… … …… .……… 49 5 結(jié)語與展望 ………………… ………………………… … …… .……… .49 致謝 …………………… … ………………………………… … ……… … ..54 參考文獻 ………………………… …………… … …………………… .… .55 附錄 ……………………… ……………………………………………… ..56 6 1 緒論 鋰離子電池是近幾年出現(xiàn)的金屬鋰蓄電池的替代產(chǎn)品。在以蓄電池為工作電源或備用電源的用電場合，充電器具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)對電池進行 充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。 鋰離子電池的組成 鋰離子電池基本有 鋼殼 、 鋁殼 、 圓柱 、 軟包裝 這些 系列 ，其組成也大同小異，主要由正極、隔膜、負極、有機電解液和電池外殼組成。該電池的主要特點是電池 電壓高，額定電壓為3V(是一般 堿性電池 的 2 倍 )；終止放電電壓為 2V；比能量大 (金屬鋰的理論克容量為 3074mAh)；放電電壓穩(wěn)定可靠；有較好的儲存性能 (儲存時間 3年以上 )、自放電率低 (年自放電率 ≤10 ％ )；工作溫度范圍－ 20℃ ～＋ 60℃ 。 鋰離子電池的優(yōu)缺點 鋰離子電池作為現(xiàn)在日常生活中最普遍最常用的電池之一，其必然有很多的有點。 快速充 電 使用額定電壓為 的恒流恒壓充電器可以使鋰離子電池在一至兩個小時內(nèi)得到滿充 當(dāng)然， 鋰離子電池也 必然會 存在著一定的缺點，如： 電池成本較高。 10 A、 過充保護：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題；故必須在 的恒壓下充電； B、 過放保護：過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護線路控制。 1． 恒流充電器 恒流充電器（如圖 21）是市場上最常見的充電器，從鎳鎘電池時代，就開始使用恒 流充電器。但它也有其局限性，首先必須計算時間，另外隨著鎳氫電池的容量越來越大，恒流充電所需的時間也越來越長，對使用帶來了一定的不便。采用涓流電流對電池進行充電的好處是很明顯的，其一如前所述，涓流充電能將電池充的 很滿，其次就是不用擔(dān)心過充的問題，因此使用這類充電器的最大好處就是不用再去計算時間。 而工業(yè)用的則比民用的在性能價格等諸多方面要高一點。充電電流 (mA) 充電器國內(nèi)外的現(xiàn)狀 目前中國是全球鋰離子充電器最大的 生產(chǎn)地，去年共計生產(chǎn)了 5 億個充電器，其中 1億多個銷售在國內(nèi)，其余都銷往國外。這些電池充電器集成電路為單個鋰離子 或鋰聚合物電池提供高達 的充電電流。 圖 23充電 器一般結(jié)構(gòu) 實現(xiàn) 電流可調(diào) 充電器的最經(jīng)濟的方法就是用一個 可調(diào)的 快速 開關(guān)電源實現(xiàn)的（圖 24） 。由于鋰電池充電前其內(nèi)部本身的電在先前使用時是不會被用盡的，所以鋰電池本身就有一個電壓U0，在恒流充電的過程中，鋰電池內(nèi)部的電壓從 U0慢慢增加到 U1，然后就以 U1的恒壓對鋰電池進行充電，直至完成整個充電過程。當(dāng)開關(guān)處于閉合時，其采樣的原理和直接采樣時一樣的。 但是，對于那些對精度和時間要求特別的項目上，這些成本也不足為奇了。 在安全方面， 一個 高性能的鋰離子電池充電器， 以保證鋰離子電池在使用中避 20 免過充電、過放電等損害現(xiàn)象的發(fā)生，從而，隨之帶來的是要求鋰電池充電器具有嚴(yán)格與完善的保護電路，才能真正實現(xiàn)各項安全保護特性。鋰離子電池組充電器應(yīng)對每 節(jié)電池單獨進行充電，而不是整組串聯(lián)充電。 恒壓精度要求指的是電池組最終所要達到的電壓。本充電 器設(shè)計時綜合考慮到充電時間小于一個工作間隙（ 12 小時），同時盡量減少電纜線對電源的損耗，因此本設(shè)計確定的恒流充電電流為 4A177。據(jù)實際測量，可能的工作環(huán)境變化范圍為： 10℃～ 55℃。 溫度 保護電路有一個熱敏元件 Rt用來檢測機箱內(nèi)溫度 ，當(dāng)整個充電器 機箱 中的溫度有異常情況的時候，電池組保護電路動作， 保護開關(guān)斷開，所有鋰電池充 電停止。 由于充電器內(nèi)部導(dǎo)線長度約為 1米，充電器至電池大約有 10 米的長度，往返單節(jié)電池回路中的電纜線長度大約為 22米，電阻大約 歐姆，以 4A 充電電流計 算，線路中產(chǎn)生的壓降大約有 2V。 3） 保 護狀態(tài)參數(shù)的選取 保護狀態(tài)的參數(shù)主要包含兩個內(nèi)容： （ 1） 保護溫度 在充電器中，單體充電器所使用的功率芯片所允許達到的最大工作溫度為 120攝氏度，綜合機箱環(huán)境和散熱狀況，經(jīng)過測試，選取機箱空氣溫度 60 攝氏度為過熱保護溫度，此時芯片平均工作溫度約為 80100 攝氏度。這樣一來他的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關(guān)的時間