智能快速电池充电器设计毕业论文.doc

编号: *大 学毕业论文(设计)题 目 智能快速电池充电器设计 指导教师 *学生姓名 *学 号 * 专 业 自动化 教学单位 *大学机电工程系 （盖章） 二O*年五月十二日*大学毕业论文（设计）开题报告书20*年*月*日院（系）机电工程系专 业自动化姓 名*学 号论文（设计）题目智能快速电池充电器设计一、选题目的和意义选题的目的：市场上常见的Ni-Cd电池充电器,大多数采用半波整流电路对电池进行准恒流式的充电,充电时间需要根据Ni-Cd电池的容量(即毫安小时)、充电电流大小以及电池的热效应因素进行估算,然后在人工控制下进行充电，所以一有疏忽就易造成过度充电,使Ni-Cd电池受到损伤。且很难判断电池是否已经充足了电。为了解决这个问题我们使用负电压斜充自动侦测法或侦测法。选题的意义：该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以通过改变参数来适应各种不同电池的充电。系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成损坏，具有很高的安全性。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势国内外研究现状和发展趋势：随着充电技术的发展以及电子元件生产水平的提高，Ni-Cd充电器也不断发展并日臻完善。按充电器采用技术的先进性划分，可分为以下三代：第一代技术特点：恒流充电有充电指示LED。优点：结构简单，成本低，适用于常见的密封型非快Ni-Cd电池的标准化小电流充电。第二代技术特点:恒流充电，有定时电路，可人工定时(即：可通过改变部元件参数值来达到改变充电时间的目的。有脉冲发生电路；有一定的检测控制电路；有充电指示LED。适用于Ni-Cd电池的大电流快速充电，也可偶尔进行超快速充电。第三代技术特点：恒流充电。可选择“uC的充前先放”功能使充电过程更为标准化。可以通过预置uC端脚电平的高低来选择充电电流。在快充过程中uC检测电池最大电压Vmax、最高电池温度Tmax、最大充电时间tmax、电压负增量一v、电池温升速率T/t等参量。一旦某项指标超过预定值充电器立即停止快充。快充完毕后，电池电量一般可达80%-90%。此后充电器自动进入脉动涓流充电状态。三、课题设计方案 研究（设计）的基本内容：由于当今世界电子技术的快速发展使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。这就为电池充电器的快速发展提供了广阔的空间。目前市场上使用较多的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池。本文主要研究Ni-Cd电池充电器。本设计先从现阶段的电池充电器的性能出发，全面系统地分析了其发展的历史进程、发展规模、性能的改进、现阶段的优缺点以及今后对其发展的要求。由于Ni-Cd电池具有电阻小、放电大、电压稳、寿命长、使用方便而得到广泛应用。因而各种各样的Ni-Cd电池充电器也随之充满了市场。但市场上常见的Ni-Cd电池充电器,大多数采用半波整流电路对电池进行准恒流式的充电,充电时间需要根据Ni-Cd电池的容量(即毫安小时)、充电电流大小以及电池的热效应因素进行估算,然后在人工控制下进行充电。所以一有疏忽就会造成过度充电,使Ni-Cd电池受到损伤，且很难判断Ni-Cd电池是否已经充足了电。本设计利用ATC105自身的各项特性制作的充电器能圆满地解决Ni-Cd电池是否充足了电的问题,可对Ni-Cd电池实现无损伤充电,有效地保护了电池的各项性能指标。该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以通过改变参数来适应各种不同电池的充电。系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成损坏。四、计划进度安排 20*.*.*20*.*.* 查阅相关书籍和资料,了解有关电池充电器的发展进程及趋势。20*.*.*20*.*.* 对所设计的题目有初步总体认识，写任务书和开题报告。20*.*.*20*.*.* 初步形成总体的设计思路，查阅并选择各器件。20*.*.*20*.*.* 对各组成部分的实现功能做具体了解，掌握工作原理。20*.*.*20*.*.* 设计具体应用电路，依各性能进行修改和调整。20*.*.*20*.*.* 在老师指导下,对设计思路和实现的功能进行修改、完善。五、主要参考文献1 吴腾奇主编. 智能型Ni-Cd电池充电控制电路J.北京:高等教育出版社.20032张巧芝主编. 一种新型镉镍电池快充技术M.长沙:电子工业出版社.1999（6）3周志敏主编. 充电器电路设计与应用M. 北京：人民邮电出版社.2005.104王鸿麟主编. 智能快速充电器设计与制作M.北京:科学出版社.1999（6）5杨帮文主编. 实用电池充电器与保护器电路集锦M.北京:电子工业出版社.20016 卢胜利主编. 智能仪器设计与实现M. 重庆大学出版社. 2003指导教师意见及建议： 签名： 年 月 日教学单位领导小组审批意见： 组长签名： 年 月 日*大学毕业论文（设计）中期检查表院(系)：机电工程系 专业： 自动化 20* 年 03月 15日毕业论文（设计）题目：智能快速电池充电器设计学生姓名学 号指导教师职 称讲师计划完成时间：20*年4月10日 毕业论文（设计）的进度计划：20*.*.*20*.*.* 查阅相关书籍和资料,了解有关电池充电器的发展进程及趋势。20*.*.*20*.*.* 对所设计的题目有初步总体认识，写任务书和开题报告。20*.*.*20*.*.* 初步形成总体的设计思路，查阅并选择各器件。20*.*.*20*.*.* 对各组成部分的实现功能做具体了解，掌握工作原理。20*.*.*20*.*.* 设计具体应用电路，依各性能进行修改和调整。20*.*.*20*.*.* 在老师指导下,对设计思路和实现的功能进行修改、完善。完成情况：到现在为止，我通过查找资料学到了很多知识。通过本次设计使我体会到了理论联系实际的重要性，虽然遇到了很多问题但在老师的帮助下最终还是按时完成。指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页） 签 名： 年 月 日备 注：目 录摘要11 引言11.1课题背景11.2 国内外研究现状22 智能快速电池充电器的硬件设计32.1智能快速充电器的功能描述32.2 ATC105的功能分析32.3 AC-DC转换器的选择62.4 D/A转换网络92.5 NTC热敏电阻103 智能快速电池充电器的工作原理133.1充放电操作153.2电池温度监测控制153.3 解析度163.4 镍镉电池充电特性164 总结18参考文献19谢 辞20*大学 机电工程系 20*届 自动化专业 毕业论文（设计）智能快速电池充电器设计（姓名*）(*大学机电工程系，*省*市 *)摘要：目前市场上的电池充电器大多数采用半波整流电路对电池进行准恒流式的充电,很难判断电池是否已经充足了电。ATC105智能型镍镉Ni-Cd电池充电控制集成电路是专门针对Ni-Cd特性设计而成，使用ATC105制作的充电器能圆满地解决Ni-Cd电池是否充足了电的问题,该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。关键词：电池，充电，控制器， ATC1051 引言1.1课题背景电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，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。Ni-Cd电池作为一种可充电电池,由于其电阻小、放电大、电压稳、寿命长、使用方便而得到广泛应用。所以各种各样的Ni-Cd电池充电器也随之充满了市场。据研究,市场上常见的Ni-Cd电池充电器,大多数采用半波整流电路对电池进行准恒流式的充电,充电时间需要根据Ni-Cd电池的容量(即毫安小时)、充电电流大小以及电池的热效应因素进行估算,然后在人工控制下进行充电。所以一有疏忽就会造成过度充电,使Ni-Cd电池受到损伤。一般的充电器很难判断Ni-Cd电池是否已经充足了电，即使一些高档次的充电器,在充电电路上做了周密的设计,改善了充电的性能,增强了充电的安全性,但对判断Ni-Cd电池是否已经充足了电仍然束手无策。近年来国外有人经过大量研究发现Ni-Cd电池在充电过程中,当其电能充足或者说达到充电饱和点的一瞬间,Ni-Cd电池的电动势会产生20mV的下跌(如图1所示)。20mV图1 NiCd电池充电过程中的电动势下跌如果我们能侦测出这一微小的瞬间变化再将之变换成控制信号,那就能实现充电的自动控制。这就是我们所说的负电压斜充自动侦测法或侦测法1。本文介绍的这种智能快速充电器就是利用由这一技术研制成的ATC105智能型镍镉Ni-Cd电池充电控制集成电路设计而成。使用ATC105制作的充电器能圆满地解决Ni-Cd电池是否充足了电的问题,可对Ni-Cd电池实现无损伤充电,有效地保护了电池的各项性能指标。该充电器可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以通过改变参数来适应各种不同电池的充电。系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成损坏。电池在充电过程中用户可尽管放心地去做其他事情绝对安全。1.2 国内外研究现状“可循环充电”是Ni-Cd电池区别于一般电池的重要特征之一。Ni-Cd电池的充电次数可达300一1000次。而一般电池有的虽能充电但最多也仅有数十次。Ni-Cd电池能否长期循环充电，不仅取决于Ni-Cd电池本身的性能，还取决于充电器的质量。随着充电技术的发展以及电子元件生产水平的提高，Ni-Cd充电器也不断发展并日臻完善。按充电器采用技术的先进性划分，可分为以下三代：第一代市场上常见的中低档充电器。技术特点：恒流充电(有的充电器如S一302、MW298以倍流来现快充功能)有充电指示LED。优点：结构简单，成本低，适用于常见的密封型非快Ni-Cd电池的标准化小电流充电。缺点： (1)无定时电路，需人工掌握充电时间；(2)充电时间长，不能实现真正的快速(充电间为1一3小时)、超快速(充电时间不于1小时)充电；(3)无检测控制电路，难以应付劣质电池在充电过程中的温度骤升、压力突增、内阻速减等突发事件2。第二代技术特点:恒流充电，有定时电路，可人工定时(即：可通过改变部元件参数值来达到改变充电时间的目的。由于常使用“快充法”充电，也有部分时间是停充或放电时间，再加上电能转化成化学能的效率不可能为100%，所以实际定时时间比理论充电时间要多20一30%)；有脉冲发生电路；有一定的检测控制电路；有充电指示LED。该代充电器的优点：用“快充法”充电，大大缩短了充电时间，且能监视并控制电池电压的变化，适用于Ni-Cd电池的大电流快速充电，也可偶尔进行超快速充电。缺点：检测手段不齐全,不能对电池进行较为全面的检测，不适于长期采用超快速充电3。第三代随着充电电池的广泛应用有相当一部分用户要求充电器微型化、充电过程高速化。这使得一些集成电路生产厂家推出了充电器专用的微控制器（UC)。第三代充电器在结构上使用UC取代原来 充电器中大部分分立元件和一些中小规模集成电路。UC外部基本采用表面安装元件(SMC)。开关、放大元件一般为MOSFET和达林顿管。其技术特点：恒流充电。可选择“UC的充前先放”功能使充电过程更为标准化。可以通过预置UC端脚电平的高低来选择充电电流。在快充过程中UC检测电池最大电压Vmax、最高电池温度Tmax、最大充电时间tmax、电压负增量一v、电池温升速率T/t等参量。一旦某项指标超过预定值充电器立即停止快充。快充完毕后，电池电量一般可达80%-90%。此后充电器自动进入脉动涓流充电状态。2 智能快速电池充电器的硬件设计2.1智能快速充电器的功能描述基于镍镉电池具有功率密度高、可快速充放电、循环寿命长以及无记忆效应、无污染、可免维护等优点因而其应用范围也越来越广泛。如何合理的对镍镉电池进行充电管理是目前电池领域中研究的热门课题，在这样的背景下设计开发了该款快速智能充电器。 该充电器具有以下功能： （1）最大温度保护技术：利用NTC温度传感器监视充电过程中的电池温度，到设定的最大温度时，切断快速充电。（2） 采用最高电压Vmax、最长充电时间tmax、电压负增长-V、温度变化率T/t等快速充电中止法。（3） 通电后能自动检测整个电源系统,有故障报警。 （4） 设有电池开路、短路、反接保护。（5） 具有输入交流过压保护、输出直流过流保护、过充电保护等。 （6）具有硬件和软件相结合的双重保护功能。 （7） 良好的抗干扰能力。 2.2 ATC105的功能分析2.2.1 ATC105的主要特点ATC105是一种理想的充电器芯片。它的特性归纳起来有以下几点：电池快速充电时，以负电压斜率侦测法自动侦测电池电压之饱和点；当电路有短路、开路或其他异常状况时，立即自动切断电路以确保电路的安全；具有两种充电方式，快速充电和慢速充电可自动切换；在充电状态中可实施放电功能；具有超温和定时保护功能,可避免因电池故障而无法达到充电饱和点或者充电过程中电池温度过高而产生意外；温度保护设定可根据外部电阻予以调整；内藏180分钟定时器；快速充电起始5分钟之内不予以侦测；能直接驱动LED和蜂鸣器，随时显示工作状态、快速充电、慢速充电、放电或电池异常等；电池电压不足时将发出警告信号。2.2.2 ATC105的原理与引脚功能ATC105的内部结构如图2所示,它采用微处理器实现自动侦测、采样、比较、分析和控制4。电压侦测V侦测A/D侦测电路D/ARAMD/A转换网络微处理器定时电路执行电路执行电路时钟电路35421471110232298图2 ATC105内部结构其中电压侦测电路是ATC105的关键电路,该电路在微处理器控制下每隔一定时间通过脚5采集一次被充电电池的端电压,经A/D转换器将其转换成数字信号,然后送入比较器进行比较。如果发现前次采集的端电压数据比后一次大,则将其存入芯片内的RAM中,只要发现有-20mV的下跌值,微处理器就会立即发出控制信号。为了能正确地判断这-20mV的变化，ATC105芯片电路还设置了一个8位的D/A转换网络,由它产生一个侦测所需的基准比较电压。当供电电源为5V时,此基准比较电压为20mV。这个D/A转换网络的电阻需要外部连接,这里我们采用电阻排ZR2R,以简化充电器周边线路。可由引脚23(PWM送出的电平)决定快速充电和慢速充电。通常开始充电时ATC105的引脚23输出高电平去控制周边电路,令供电电源向Ni-Cd电池充电, 5分钟后其引脚5开始侦测,只要侦测到-20mV,芯片内的微处理器便立即将引脚23的输出电平由原来的高电平变成频率为1kHz、占空比为140的脉冲方波(见图3),此时充电方式由快速充电转为慢速充电,进入慢速充电状态。另外ATC105内部还设置了一个定时器电路,最大定时180分钟,当快速充电满180分钟以后,不管电池是否已经充足电,充电器都将自动地转入慢速充电状态。充电方式时的脉冲方波：VDD（pin23）快速充电tVDD（pin23）39/40T1/40tVV图3 充电方式ATC105采用双列直插DIP塑料封装,它的封装形式及管脚排列如图4。图4 ATC105引脚排列引脚功能如表1所示：表1 ATC105的引脚功能引脚名称说明功能1D1SCM.I/P放电感应输入端产生放电控制平衡2VQER基准电压输入端A/D参考电压输入3VBA电池端电压侦测端侦测电池端电压4NTC温度感应输入端侦测电池温度5VBBV侦测端侦测电池充电电压V6NC空脚使用时要接地7LED1LED输出端LED显示工作状况8LED2LED输出端LED显示工作状况9BUZZER蜂鸣器输出端连接微型扬声器10OSC1振荡器I/P晶体振荡输入11OSC0振荡器O/P晶体振荡输出12VDD电源+5V电压输入13RESET系统复位端系统重置14DA1D/A转换网络输出端D/A比较电压输入15DA2D/A转换网络输出端D/A比较电压输入16DA3D/A转换网络输出端D/A比较电压输入17DA4D/A转换网络输出端D/A比较电压输入18DA5D/A转换网络输出端D/A比较电压输入19DA6D/A转换网络输出端D/A比较电压输入20DA7D/A转换网络输出端D/A比较电压输入21DA8D/A转换网络输出端D/A比较电压输入22D2SCM.O/P电池放电控制端电池放电控制电平输出23PWM电池充电控制端电池充电方式控制24GND地接地端2.3 AC-DC转换器的选择HV-2405E是美国HARRIS公司推出的一种高效率、无变压器输出的降压式AC-DC转换器。它不需变压器就能直接从交流电源中产生5-24V直流电压,可应用在紧凑、重量轻、廉价的电源设备上。HV-2405E是一种能产生5-24V电压、50mA电流的单片电源芯片,它只需极少的外围元件就可实现。代替了一个变压器、一个整流器和一稳压器。这种芯片采用HARRIS的高压绝缘隔离工制造5。2.3.1 特性HV-2405E的主要特点有：不需要电源变压器就能进行整流、滤波，将高压交流电变换成低压直流电；具有极宽的输人电压范围，在输入交流电压为 12-275 V时均能输出稳定的5V直流电压；输出电压可在5-24 V之间自由调整；最大输出电流为50 mA；采用DIP-8封装外围元件少，整个变换器的面积小于0.14平方英寸；工作温度范围为-40 C -85 C。图5 HV-2405E封装图：图5 HV-2405E引脚图HV-2405E的引脚功能如下表：表2 HV-2405E的引脚功能表管脚号代号功能1AC RETURN整流输入（）2PRE-REG检测点（1130VDC）3ANALDG GND模拟地4INH IB IT禁止5SENSE H IGH检测信号输入6Vout直流电压输出7NC空脚8ACH JGN整流输入（+）HV-2405E的主要特性参数如下：1输入交流电压范围：12275V2 输出固定电压：5V3 输出可调电压：524V4 最大输出电流：50mA5 工作温度范围：-40 C+85 C主要应用范围：1.无隔离的紧凑低成本电源；2.交流供电的高效整流器控制系统；3.电池管理系统；4.离线电机控制的两路输出电源；5.带有关断模式的家用电源；2.3.2 HV-2405E的应用电路6图6 HV-2405E的应用电路图（1）HV-2405E的工作过程HV-2405E将交流电压转变成稳定的直流电压,可为低压元件如接口电路供电。这个过程在片内分两个阶段完成，首先预整流单元将一个大电容接到交流端,将其充到高出输出电压6V的电平；然后预整流单元进入保持模式,直至下一个循环开始,大电容上的电荷为用户提供直流电流。为后边整流器提供的电流将向负载释放大量的电荷。每个周期都要对电容器刷新一次。(2)输入电压HV-2405E能在很宽的输入电压下工作,240V和120V电源场合应用最多。应用电路如图7示,在输入电压比较小的情况下也能应用。外围元件的值由输出电压、输出电流和输入电压确定。图7 HV-2405E标准+5V输出图2.4 D/A转换网络DAC0832是双列直插式8位D/A转换器，能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换7。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1s，满量程误差为1LSB，参考电压为(+10-10)V，供电电源为(+5+15)V，逻辑电平输入与TTL兼容。在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号 /XFER。当ILE为高电平，片选信号 /CS 和写信号 /WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当 /WR1由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。对第二级锁存来说，传送控制信号 /XFER 和写信号 /WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后当 /WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。其余各引脚的功能定义如下： (1)DI7DI0：8位的数据输入端，DI7为最高位。 (2)IOUT1：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。 (3)IOUT2：模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。 (4)RFB：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。 (5)VREF：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。 (6)Vcc：芯片供电电压，范围为(+5-15)V。 (7)AGND：模拟量地，即模拟电路接地端。 (8)DGND：数字量地。DAC0832引脚图如下：图8 DAC0832的引脚图其内部结构图为9：图9 DAC0832内部结构图2.5 NTC热敏电阻NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻。是使用单一高纯度材料、具有接近理论密度结构的高性能陶瓷。因此在实现小型化的同时，还具有电阻值、温度特性波动小、对各种温度变化响应快的特点，可进行高灵敏度、高精度的检测8。 2.5.1电阻温度特性热敏电阻的电阻温度特性可近似地用式1表示。R= Ro exp B(1/T-1/To) (式1)（R：温度T(K)时的电阻值；Ro：温度To(K)时的电阻值；B ：B 值。T(K)= t(C)+273.15） （式2）实际上热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/ C。因此在较大的温度范围内应用式1时，将与实测值之间存在一定误差。若将式1中的B值用式2所示的作为温度的函数计算时，则可降低与实测值之间的误差，可认为近似相等。BT=CT2+DT+E (式3)上式中，C、D、E为常数。另外，因生产条件不同造成的B值的波动会引起常数E发生变化，但常数C、D 不变。因此在探讨B值的波动量时，只需考虑常数E即可。电阻温度特性图如图所示：图10 电阻温度特性图2.5.2电阻温度系数所谓电阻温度系数()，是指在任意温度下温度变化1 C (K)时的零负载电阻变化率。电阻温度系数()与B值的关系如下： （式4）这里前的负号()，表示当温度上升时零负载电阻降低。2.5.3散热系数 散热系数()是指在热平衡状态下，热敏电阻元件通过自身发热使其温度上1 C时所需的功率。在热平衡状态下，热敏电阻的温度T1、环境温度T2及消耗功率P之间关系如下式所示： （式5）2.5.4最大功率在额定环境温度下可连续负载运行的功率最大值。有的产品规格书上可能记载为“额定功率”。产品目录记载值是以25 C为额定环境温度，由下式计算出的值。 额定功率=散热系数（最高使用温度25） 2.5.5容许运行功率这是使用热敏电阻进行温度检测或温度补偿时，自身发热产生的温度上升容许值所对应功率。容许温度上升t C时，最大运行功率可由下式计算。容许运行功率=t散热系数2.5.6对应环境温度变化的热响应时间常数指在零负载状态下，当热敏电阻的环境温度发生急剧变化时，热敏电阻元件产生最初温度与最终温度两者温度差的63.2%的温度变化所需的时间。热敏电阻的环境温度从T1变为T2时，经过时间t与热敏电阻的温度T之间存在以下关系。T=(T1-T2)exp(-t/)+T2(T2-T1)1-exp(-t/)+T1 （式6）常数称热响应时间常数。上式中，若令t=时，则(T-T1)/(T2-T1)=0.632。换言之，如上面的定义所述，热敏电阻产生初始温度差63.2%的温度变化所需的时间即为热响应时间常数。时间与热敏电阻温度变化率的关系如下表所示：表3 时间与热敏电阻温度变化率表TT-T1T2-T1t2t3t4t5t63.2%86.5%95.0%98.2%99.4%时间与温度的响应曲线如下图：图11 时间与温度的响应曲线3 智能快速电池充电器的工作原理使用ATC105的充电器实用线路如下图所示,为了降低成本ATC105采用串联充电方式,它能同时向n(n2)节电池充电。但是不同型号的Ni-Cd电池具有不同的容量及不同的充电电流,所以在具体使用时需对充电器有关的元件稍作调整以适应实际情况9。13VV2IO78L05Q4TIP32Q32SC1815D101N4148D71N4148D81N4148D91N4148D51N5401612345789101112131415161718192021222324R24ATC10512345678910R25ZR2RC1100uFC3C40.01uFC50.01uFC64uFC84.7uFC9 0.1uFR1R24.7KR34.7KR4390R54.7KR6390R74.7KR82R94.7KR104.7KR11100KR12 330R13 33OR14100K1KQ2TIP32D11AN1Q12SC1815CR11KCR29.1K455KHZLED1LED2Q52SC1815RTBZNTC9V-17V供电电池BAT+被充电池BAT-VCC+VCC-图12 智能快速电池充电器的系统线路图3.1充放电操作ATC105有两种充电方式。开始充电时,ATC105的引脚23输出一个高电平,通过晶体管Q1的激励,使晶体管Q2处于导通状态,供电电源对被充电电池充电,进入快速充电状态,LED1指示灯点亮。在快速充电5分钟后,脚5便开始侦测,一旦侦测到-20mV的下跌, ATC105内的微处理器就立即改变了引脚23的输出电平,此时晶体管Q1和Q2都转入截止状态,而充电电流降到原来的快速充电电流的1/40,进入慢速充电状态,此时LED2指示灯点亮。通常在充电前应先对被充电电池进行放电, ATC105具有这种功能。具体操作也很简单只需按一下AN1按钮开关,使引脚1接地,引入一个低电平,使引脚22输出由低电平转为高电平,从而使晶体管Q3和Q4导通,接着对被充电电池实施快速放电,此时指示灯LED1和LED2同时点亮。一般地,当ATC105引脚3侦测到1.025V时,表示该电池的电能即将耗尽,此时,引脚22输出电平由高电平返回低电平,结束放电，进入充电状态。若在充电过程中,再按一下AN1按钮开关,ATC105立即中止引脚23的输出,从而启动引脚22输出,令电路从充电状态转入放电状态。这样连续多次放电、充电循环操作,可以较为彻底地消除Ni-Cd电池记忆的小电池,以延长电池的使用寿命10。众所周知，每节Ni-Cd电池标称容量和推荐的充电电流因牌号不同而有差异,例如:日本生产的500AANi-Cd电池的标称容量为500AH,标称电压为1.2V,推荐充电电流在快速充电时为150毫安(5小时),而慢速充电时为50mA(15小时)。使用ATC105智能型充电器进行快速充电时,充电电流应取该电池推荐充电电流的二倍。这样对500AANi-Cd电池来说,应该是300mA。但充电时间应减半,只需2.5小时。因为ATC105内设置有一个180分钟的定时器,最大充电时间不得超过3小时,一旦充电达3小时,充电器就自动转入慢速充电状态,这样该电池就永远无法充足电能。所以务必注意，在3小时以内用快速充电方式将电池充电到饱和点,然后用慢速充电方式维持一段时间。由于各种牌号的Ni-Cd电池推荐的充电电流各有差异,所以ATC105允许对周边元件(这里是电阻R1)作一调整,以适应不同规格各种牌号的电池。通常放电电流允许比充电电流稍大一些,对于日产的500AA电池来说,通常取500-800mA作为放电电流。ATC105也允许通过调整周边元件(如R2)来调节快速充电电流的大小,以适应不同规格不同牌号的Ni-Cd电池11。3.2电池温度监测控制ATC105支持电池温度监测控制功能,由ATC105的引脚4来完成侦测工作12 。如图12所示,在4脚接入两个电阻,一个负温度系数热敏电阻NTC,另一个是普通电阻RT,两者组成分压网络。当热敏电阻之阻值随着温度的变化而变化时,其分压电压亦随之发生变化,这可在4脚上产生不同的电平,当此分压值大于VDD/2(VDD为供电电压)时,ATC105内的保护电路立即发出警告信号。通常Ni-Cd电池告警温度定为40 C,由此查阅NTC在40 C时的阻值,然后,据此确定RT之阻值,即RT=1.05RNTC （式7）在图12所示电路中,选用的是负温度系数的热敏电阻。3.3 解析度ATC105采用串联充电方式，对被充电电池的节数多少有很大的灵活性,可以从两节至任意节数。一次被充电电池节数不同,需调节引脚3和5脚的电压,以保证侦测到最后一节电池的V电压后,由快速充电状态转入慢速充电状态。这里,ATC105的脚3和脚5两端连接了两个由电阻CR1和CR2组成的分压网络,根据Ni-Cd电池的内阻特性, CR2通常取9.1k,而CR1则随充电电池节数的变化而变化,可以按下式计算CR2的阻值：RCR2=4.3(n-2) k （式8）这样通过CR1和CR2的分压作用,可以保证其电压在1.250-4.062V之间,但由于R1只有4.7远远小于CR1,所以它在分压中的作用微不足道,可以忽略不计。同样由于CR1和CR的分压作用,在5脚侦测到的电压值V也将被分压,此时 ATC105会根据脚3侦测到的电压值进行计算,自动调节V的解析度,这样引脚3侦测电压VP3与电池端电压VBA之间的关系如下：VP3=VBACR2/(CR1+CR2) (式9) 引脚5侦测到V与电池端电压VVB为：VVB=VP5(CR1+CR2)+CR2 （式10）式中,VP5=20mV这样,便可得到V解析度与电池节数的关系。还须注意以下两点：第一,不能将不同型号、不同容量的电池放在一起充电。第二,ATC105出厂时是在两节电池充电的条件下进行检测的,所以在两节电池充电时,电阻CR1应等于零,可用短导线将其短接。D/A转换网络的外接电阻排ZR2R是为了节省充电器的体积而设置的,应选用体积小的电阻排,最好不要用普通电阻自行联接构成电阻排,否则精度难以保证,影响D/A转换器的基准参考电压。3.4 镍镉电池充电特性镍镉电池充电特性曲线如图13所示。当恒定电流充入刚放完电的电池时，由于电池内阻产生压降，电池电压很快上升至A点。此后，电池开始接受电荷，电池电压以较低的速率持续上升。在AB之间，电化学反应以一定的速率产生氧气，同时氧气也以同样的速率与氢气化合，使电池内部的温度和气体压力都很低。经过一定时间至C点，电解液中开始产生气泡，这些气泡聚集在极板表面，使极板的有效面积减小，电池的内阻抗增加，电池电压开始较快上升。这是接近充足电的信号13。 5000电压温度压力010001.51.41.31.24000300020001.6时间/s电压/VABCDE图13 镍镉电池充电特性曲线如图充足电后，充入电池的电流不是转换为电池的储能，而是在正极板上产生氧气超电位。氧气是由氢氧化钾和水组成的电解液电解而产生的，不是由氢氧化镉还原为镉而产生的。由于从大量的氢氧离子中比从很少的氢氧化镉中更容易分解出氧气，所以电池内的温度急剧上升，使得电池电压下降。因此电池电压曲线出现峰值D点。电解液中，氧气的产生和复合是放热反应，电池过充电即E点，不停地产生氧气，从而使电池内的温度和压力升高。4 总结本设计采用了多功能ATC105集成充电器芯片，为系统控制功能的实现提供了技术支持，在硬件设计部分完成了相关电路的设计，对电路中所涉及的关键性元器件进行了具体详细的介绍和分析。对设计的整个过程及总体的功能做了全面细致的分析与研究。该充电器充电保护措施可靠，充电状态准确，充电效率可以达到92以上。但是由于时间仓促以及个人能力有限，本设计还存在许多不足之处：首先，智能充电器的某些功能没有完全实现。其次，硬件部分设计的电路较为简单、粗略。最后，由于条件不允许经过现场调试与检验，是否真正能够实现其职能快速的功能还有待进一步研究。参考文献1 吴腾奇主编. 智能型Ni-Cd电池充电控制电路J.北京:高等教育出版社.20032张巧芝主编. 一种新型镉镍电池快充技术M.长沙:电子工业出版社.1999（6）3周志敏主编. 充电器电路设计与应用M. 北京：人民邮电出版社.2005.104王鸿麟主编. 智能快速充电器设计与制作M.北京:科学出版社.1999（6）5杨帮文主编. 实用电池充电器与保护器电路集锦M.北京:电子工业出版社.20016 卢胜利主编. 智能仪器设计与实现M.重庆大学出版社. 20037 郭永贞主编. 数字电子技术M.西安电子科技大学出版社. 20008 王兆安、黄俊主编. 电力电子技术(第四版) M.机械工业出版社. 20029 夏路易、石宗义编著. 电路原理图与电路板设计教程M.北京希望电子出版社. 200210 包海峰主编. 一种通用型智能充电器的设计J. 北京工业大学学报. 2000.(02) .11 方佩敏主编. 不断推陈出新的充电器集成电路J. 电子世界. 1994.(12)12 胡