电池充电器设计总结资料很全的噢汇总

1、电池充电器设计总结日常生活中，我们常常能见到各行各业的电子产品中都含有电池，如手机，数码相机，MP3 ，甚至卫星等等。电池作为一种储电设备，应用已十分广泛，电池的性能与寿命都关系到产品的性能与寿命，因此提高 电池的性能与寿命就很关键，其中关系最直接的就是给电池充电的充电器。充电器的设计至关重要，在设 计充电器之前就有必要了解电池的相关知识。本文将介绍我们最常见，也最常用的电池相关的知识，主要 包括电池相关的概念、电池的性能特点及参数，对充电器的要求、智能充电器的设计要求等等。一、电池相关的概念1、安全性能 影响最大的是爆炸和漏液，主要与电池的内压、结构和工艺设计有关（比如安全阀失效、锂离子电池

2、没有 保护电路等。2、容量按照 IEC 标准和国标规定，镍氢和镍镉电池是指在255的条件下，以 0.1C 充电 16 小时，以 0.2C 放电至 1.0V 时放出的容量。锂离子电池是指在常温的条件下，以恒流（1C）、恒压（ 4.2V ）充电 3 小时，以 0.2C 放电至 2.75V 时放出的容量。容量单位：安时（ Ah）或毫安时（ mAh ）3、内阻是指电流流过电池内部所受到的阻力。充电电池的内阻很小，一般要用专门仪器测试。充电态内阻和放电 态内阻有差异，放电态内阻稍大，而且不太稳定。内阻越大，消耗的能量越大，充电发热越大。随着电池 使用次数的增多，电解液消耗及活性物质减少，内阻会增大，质量

3、越差，内阻增大越快。4、循环寿命 电池可重复充放电的次数。寿命与容量成反比，与充放电条件密切相关，一般充电电流越大，寿命越短。5、荷电保持能力指自放电率。与电池材料、生产工艺和储存条件有关，一般温度越高，自放电率越高。6、大电流放电能力主要与电池材料、生产工艺有关，一般用于动力电池。7、充电电池的可靠性测试项目（ 1）循环寿命 （2）不同倍率放电特性 （ 3）不同温度放电特性 （4）充电特性 （5）自放电特性 （6） 不同温度自放电特性 （7）储存特性 （8）过放电特性 （ 9）不同温度内阻特性 （ 10）高温测试 （11） 温度循环测试 （12）跌落测试 （ 13）振动测试 （14）容量分布

4、测试 （15）内阻分布测试 （16）静 态放电测试 ESD 。二、锂电池的性能特点及主要参数锂电池（ LiLon ）1、特点：（1）优点：容量大，体积小，重量轻，无记忆效应。比能量大约100 135Wh/kg ，是镍氢的 1.5倍，镍镉 2倍 。安全，无公害，无污染。 自放电低，室温下满电存储 1 个月的自放电率约 10左右（镍镉 25 30，镍 氢 3035）。 温度范围广： 20 +60 。（2）缺点： 成本高，对充电器要求也最高，充电不当容易损坏甚至爆炸。不能大电流放电，内阻相对较大，一般在 0.5C 以下放电。例如，一种容量为 3Ah 的锂离子电池，在 0.75A （0.25C）电流放

5、电时，工作时间为 4 小时；若以 2A（0.67C）电流放电时，工作时间为 1.25 小时（相当于 2.5Ah 了）；若以 3A（ 1C）电流放电， 工作时间仅为为 0.6 小时（相当于 1.8Ah 了）。需要保护电路控制。如果锂离子电池在使用过程中电压已降 到 2.5V 后还继续使用，则称为过放电（或过放） ，对电池有损害。（3）充放电次数：一般 500 次，甚至 1000 次。2、工作原理及结构：锂离子电池的正极活性材料是钴酸锂（ LiCoO2- 氧化钴锂），负极活性材料是碳材。电池通过正极的锂 离子在负极的键入与迁出实现电池的充放电过程。锂离子电池有各种形状（圆柱形、长方形等）以适合不

6、同产品的需要，其容量一般有几百毫安时到几安时。另外，可以将几个锂离子电池串联在一起，并与电池 保护器封装在一起组成电池组。3、锂离子电池充电的要求：（1）过充保护：终止充电电压精度在额定值的 1%之内（过压充电可能对锂离子电池造成永久性损坏） 。（2）充电率： 锂离子电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。虽然某些电池充电率可达2C（ C为电池的容量） ，但常用的充电率为（ 0.51.0）C。（3）充电温度：如果充电电流过大会产生温度过高， 不仅会损坏电池并可能引起爆炸。 因此在大电流充电时， 需要对 电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时能停止充电以保证安全。充电温度不能超过

7、50 度。（4）充电电流：充电器电路中有设定的限流电阻，保证充电电流不超过设定的限制电流。（5）过放电处理： 过放电（锂离子放电时不断从负极移到正极，但不能完全使锂离子移动，必须保存一部分在负极，否则寿命大大缩短） 。（ 6 ）放电电流：一般在 0.5C 以下放电较好。 完善的充电器可对过放的电池进行挽救修复，即在充电前进行预处理。充电前检测电池的电压：若电 池电压大于 2.5V ，则按正常方式充电；若电池电压低于2.5V ，则用小电流（约 1/10C 的电流）充电，充到2.5V 后再按正常方式充电。 这种预充电的方式称为预处理。 通常停止放电电压为 3.0V ，一般不能低于 2.7V。4、充

8、电方式及标准充电曲线：但目前的充电器常采用三段充电法，即预处理、恒流充电（快充） 、恒压充电（充满） 。开始以设定的恒 流充电，电池电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低，充到接近 4.2V 时（即最高充电电压为 4.2V ），恒流充电阶段结束。接着以 4.2V 恒压充电，在恒压阶段充电时，电压几乎不变（或稍有增加） ，充 电电流不断下降。当充电电流下降到 1/10C 时，表示电池已充满，终止充电。有的充电器在充电电流降到 某一值时，启动定时器，经一段定时后，结束充电。锂电池采用怛流怛压充电方式， 为防止过充电， 其电压控制精度要求为 1%。对于过放电的电池还需使 用涓流预充电。锂电池

9、的充电过程大约为以下几步：（1）检测电池的电压，如果低于一个阈值电压（ 2.7V ），就要进行涓流充电（ 1/10C ）。（2）电池充到一定电压（一般设置为 2.9V 或 3.0V ）时，进行全电流充电（ 0.5-1.0C ）。（3）当电池电压达到预置电压（锂离子电池一般为 4.2V ）时，开始恒压充电，同时充电电流降低 （一般来说，恒压充电结束时的小电流充电过程中，电流的大小一般为恒流充电时电流的1/10 ）。（4）当电流逐渐减小到规定的值时（ 1/10C 或 0.03C ），充电过程结束（对由于某种因素放电的 情况而专门设计了检测电路，一旦检测到电池电压降低，就会重新启动充电过程）。（5）

10、如果在充电过程中，温度达到上限，则进入涓流充电，等待温度降低，当温度降低后，再按 回到（ 1）到第（ 4）部的顺序。充电曲线如下：聚合物锂离子电池简介 聚合物锂离子电池是新一代锂离子电池，不仅具有液态锂离子电芯的高电压、长循环寿命、放电电压平 稳以及清洁无污染等特点， 而且消除了液态锂离子电池存在的爆炸的安全隐患。 同时外形更灵活、 方便， 重量更轻巧。产品性能均达到或超过液态锂离子电池的技术指标，更具安全性。 TCL 聚合物锂电与液 态锂电池对比：（1）安全性能好：外包装为铝塑包装，有别于液态锂电的金属外壳，由于采用软包装技术，内部质量隐 患可立即通过外包装变形而显示出来，一旦发生安全隐患，

11、不会爆炸，只会鼓胀。（ 2）超薄设计：适合各种超薄电器，而液态锂离子电池在厚度做到3.6mm以下时存在技术瓶颈。（ 3）重量轻：聚合物锂电比同等规格的钢壳液锂轻40。（ 4）容量大：聚合物比同等规格的钢壳液锂容量高1015。（ 5）内阻小：能够作到 35m 以下，使电池容量能够更大发挥。（6）形状可定制：可根据客户的要求灵活定制电池的厚度、形状，并可做出弧形等特殊形状；（ 7）放电特性佳：聚合物锂电采用胶态电解质，具有更平稳的放电特性和更高的放电平台，世界首辆聚 合物锂离子电池电动轿车在哈尔滨面世。三、镍镉（ NiCd）电池的性能特点及主要参数1、特点：（1）优点：价格便宜。（2）缺点：自放电

12、率高 2530，有记忆效应，且对环境有污染，因其中含有镉成分，逐渐被淡出市场（3）充放电次数： 1000 次左右2、原理与结构：3、充电要求：（1）影响寿命的主要因素： 过充电与充电时温度过高。电没放完就对电池充电（ NiCd 因具有记忆效应导致） 。（2）充电：（3）最高充电电压：（4）充电温度：保持在 45 度左右。（5）放电：（6）放电电流：4、充电方式与曲线：四、镍氢（ NiMh ）电池的性能特点及主要参数1、特点：（1）优点：价格便宜，无记忆效应（实际为记忆效应较轻），能量密度比 NiCd 容量高，不污染环境。（2）缺点：自放电率为 20%左右，甚至 30% 35%，高温性能差，过充

13、电 / 过放电时会排出气体。（3）充放电次数： 500 次左右。2、工作原理与结构： 镍氢电池的正极主要成分为氢氧化镍 Ni（OH）2 ，负极主要为无污染物质贮氢合金粉（ M ），电解液是氢 氧化钾的水溶液。镍氢电池设计时，容量实际上是由正极限制的，负极容量设计过剩，以保证过充电时候，正极产生的氧气 可以到负极反应，电池的内压不会有明显升高。3、镍氢（ NiMh ）充电要求 ：（1）影响寿命的主要因素：过充电与充电时温度过高。（2）充电：1）应在环境温度 1030下充电，此时充电效率最佳。环境温度低于0时，电池内气体吸收反应不充分，造成电池内压升高，激活安全阀，使电池泄漏，性能恶化。而环境温度

14、高于40时，充电效率会下降。这会使电池性能恶化，发生泄漏。2）长期储存会加速电池自放电和活性物质钝化，电池电压和容量会下降重复几次充放电循环后， 电池可恢复原有性能， 所以要定期充电。 将电池储存在干燥、 无腐蚀性气体、 温度在 -2035之间的地方。3）不要将电池反极充电或大电流过充，否则会造成气体快速产生，使电池内压增加，电池鼓胀或 破裂。（3）最高充电电压：（4）充电温度：保持在 45 度左右。（5）放电：1）镍氢电池的放电终止电压非常关键，必须在1.0 1.1V 之间，超过了这个终止电压可能有过放的危险，过放会造成排气，对电池损害很大。过放电会损害电池特性，放电时要有过放保护。2）放电

15、时环境温度应在 -1045度。超过此范围，放电容量会严重下降，长期在高低温环境下 工作，容量会衰减很快。（6）放电电流：放电电流影响放电效率。在放电电流为0.1 C2 C 之间放电效率最佳。4、充电方式 及充电曲线： 充电是将充电电池恢复其原始容量的过程，为使电池达到长期使用的目的，必须通过适当的充电方法 充电，目前较好的方式是 -V 值控制充电，此外还可以采用其它的控制方法。NiMH 一般采用怛流源充电，当达到充满状态时，电池会发生放热化学反应，会导致温度上升，电池 端电压下降，可检测温度上升速率或负向电压，来终止充电，这种方法称为dT/dt 或 -V。除了这两种方法外， 当前的充电器还整合

16、了温度门限测量与超时定时器等功能。 无论哪个条件先满足， 都将结束快充。充电方法如下： （如果为单节电池充电，最好考虑（ 1）（ 3）步，不是单节电池，则不考虑。 ）（1）确定电池电压在 1.0V-1.65V 之间，环境温度在 0-45 度之间。（2）预充：电池电压低于 1.0V 时，将以 0.1C 电流预充。（3）当电池电压大于 1.0V 时，进入快充。（4）快充方式：（将以 0.5C 1.0C 电流充电）1）快充（ -V 检测方式）：约 5-10 分钟后（防止 -V 检测线路在开始充电后一定时间内启动。因 为，镍氢电池在放置较长时间或过放后充电电压会有波动（假- V），此时延时的设定是为防

17、止此假 - V误触发使充电终止） ，对电池电压测量，保持每次测量（停充时测量）到的最大电池电压，一旦检测到- V门限（典型为 2mV ，通常有时用 5-10mV ），快充结束。转入浮充电。如果快充时电压持续 15-20 分钟平坦， 也将终止快充。2）快充（ dT/dt 值检测方式） ：0.81/min，用热敏电阻或温度传感器探测电池温度，单位时间内 电池温度上升达到预设值时，终止充电并转为涓流。3）两种快充检测方式都启动，只要任一种达到将转到下一步。（5）浮充：将以 0.1C，持续 20-30 分钟。如果浮充电流改其它值，时间相应调整，时间一般为快充的 一半。如果之前快充时温度达到上限值，则不

18、进入浮充模式。（6）涓充：涓流将以 C/20 或 C/30 充电，以维持电池充满状态，补尝电池自放电的效应。直到电池拿 掉或总充电时间到后停止充电。（7）充电总时间： 10 20 小时（视充电电流的大小） ，即使是涓流充电，长时间过充也会造成电池性 能恶化，为防止涓流或其他充电下过充，建议设立一个保护性的总充电时间控制。恒流充电时间计算公式 =电池容量除以充电电流乘以 K，K 为充电系数取值：慢充 1.5（1015 小时） 快充 1.35（4.510 小时） 急充 1.2（1.54.5 小时）。（8）当第一组电池完成上述充电过程后，紧接着对第二组电池充电时，如果温度还在上限，则必须待 温度下降

19、后才可开始对进行充电过程。下图是 DS2712 对 NIMH 充电时电池电压的曲线： 上面一条为充电时电池电压曲线，下面为停充时的电压曲线。五、铅酸电池（ SLA ）电池的性能特点及主要参数1、特点：（ 1 ）优点：免维护 、可做任何方位的摆置而不使电解液漏出、安全排气 、可大电流放电 、 成本低 、高低温性能好 。（2）缺点：有污染 、体积大 、比容量低 。（3）充放电次数：2、原理与结构： 1）阳板及阴板：阳板及阴板是由铅钙合金所作成之格子体再加上活化物质所构成。2） 隔离板：是一种以玻璃纤维所组成之玻璃纤维布，具有高度之抗氧化性及耐热性，而在电池内更具有 高度之电解液吸收力及保液能力，且

20、能满足离子之传导性。3）安全塞：在电池因不当的使用或过充电的结果，会导致电池内部压力不正常的提高，此时安全塞会打 开，使过多的气体释出电池，内部压力回复正常。4）电槽及中盖：主要为 ABS 或 PP 塑胶材质，具有足够之强度及耐酸性，也是为免除电池电解液及气体 之漏出。充放电反应可以下面方程式来表示：3、充电要求（1）影响寿命的主要因素：（2）充电：避免过充，否则将使电池大量排气，严重损害电池的寿命。长期储存要定期充电（3）最高充电电压：（4）充电温度：（5）放电：避免过放，经常过放将会导致极板钝化，容量衰减。（6）放电电流：4、充电方式与曲线：六、智能充电器的设计要求及典型应用电路作为一个电

21、池使用者都希望充电器的充电速度越快越好。因此充电器的充电速率是充电器的一个重 要标志。但是在快速充电的过程为保证电池的性能，充电器就必须在充电中知道电池的状态。快速充电器 的一个本质特征就是在过充电之前能够自动降低充电速率。充电速率最好不要超过电池供应商的建议值2C。如果充电器做不到这一点的话，只能使用小电流或涓流充电方式。一个性能可靠安全的充电器一般包括怛流怛压控制环路， 电池电压检测电路， 电池温度检测电路等基 本单元。有时在充电器中计算总的充电时间以防止电池过充。一般充电器的基本硬件方框图如下：有时为了更直观地了解充电电池的状态，还需上位机显示必要的信息，这就是智能充电器。智能充电器组成

22、如图 1 所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等 形成了一个闭环系统。下面介绍利用 ATMEGA8 做的一款智能充电器相关电路及原理。1、智能充电器典型的 PWM 控制电路(1) 下图是采用 PWM方式控制的恒流 / 恒压电路。 由于图中的开关管是工作在开关状态，因此电路的工 作效率较高。工作原理：当开关管 Q导通时，输入电源通过电感 L向电容 C充电，同时电感 L 开始存储能量。当 Q断开后，电 感要保持电流从而开始释放能量，二极管 D 开始导通，电感继续给电容充电。开关管周期性的导通，从而 保证了电路输出恒定的输出电压。如果开关管的导通时间增加，则输出电压升

23、高，充电电流加大。反之则 输出电压下降，充电电流下降。因此，通过调整 PWM的占空比，就可以实现实现充电器的恒流和恒压功能。占空比与输出电压的关系 如下： ton/T = (Vo + VD) / (Vi Vsat + VD) 其中： ton ：开关管导通时间 T ： PWM脉冲的周期 Vi ：输入电压 Vo ：输出电压 Vsat ：开关管的饱和压降 VD ：二极管导通压降电感 L 的计算方法如下：L = (Vi 其中： VsatVo)ton / IpkIpk = 2IoMAXIoMAX = 最大输出电流下图是本充电器的恒流 / 恒压电路图中开关管选用了东芝的 TPC8103 MOSFET管，为

24、 8 脚贴片封装。其外形和内部原理图如下2）基准电压源TL431 是一个具有良好的热稳定性能的三端可调基准电源。外形如下图所示：TL431有 3个引脚，分别为：阴极C（CATHOD）E、阳极 A（ANOD）E 和参考端 R（REF）其内部工作原理图如下图所示：充电器基准电压电路如下图所示：TL431的内部含有一个 2.5V 的基准电压，所以当在 REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳 极很宽范围的分流，控制输出电压。输出电压可以控制在 Vref （2.5V ）到 36V范围内。当 R12和 R16的阻 值确定时，两者对 Vo 的分压引入反馈，若 V o 增大，反馈量增大， TL431

25、的分流也就增加，从而又导致 Vo 下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在 VI 等于基准电压处稳定，此时 Vo=（1+R12/R16）Vref 。选择不同的 R1和 R2的值可以得到从 2.5V 到 36V 范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时， Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证 TL431 工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于 1 mA 。本充电器选择的基准电压值（ 1 3/6 ）2.5 3.75V 。2、MCU 控制器部分本充电器设计采用 ATMEL公司 2002 年推出的一款 AVR高档单片机 Atmega8。其内部集成了大容量的存储器， 提供了 PWM脉宽调制

26、脉冲产生器、多路 AD转换器、实时时钟电路、串行接口等硬件接口。非常适合用作智 能型充电器的 MCU控制单元。 Atmega8有DIP28和 TQFP/MLF32三种封装类型。我们选择了 DIP28封装，如 下图所示：MCU控制单元电路如下图所示：MCU系统时钟和实时时钟的选择：Atmega8具有 5 种类型的系统时钟源，即外部晶振、外部低频晶振、外部RC振荡、内部 RC振荡及外部时钟。由于充电器在充电过程中需要计算充电时间，因此智能充电器的设计中必须包括实时时钟源。根 据 Atmega8 的时钟源特点，本充电器的 MCU系统时钟选择使用可校准的内部RC振荡器产生 8M时钟，外接32.768K

27、Hz 的晶振做为实时时钟的时钟源。PWM脉宽调制波产生器：Atmega8具有 3个定时/计数器，可以实现定时 / 计数功能外，还具有任意小于 16位相位和频率可调的 PWM脉宽调制输出功能。本充电器使用 T/C1 产生 PWM，为了获得较高的 PWM脉冲频率， T/C1 的工作模式选 择快速模式。 PWM脉冲从 PB1（15 脚）输出。AD转换器：DIP28 封装形式的 Atmega8 具有 4 个 10 位精度和 2 个 8 位精度的 AD转换通道。本充电器在充电过程 中需要随时采集电池的充电电流、放电电流、电池电压和电池温度，共需要 4 个 AD 转换通道。我们采用 ADC0（PC0）采集

28、充电电流数据， ADC1（ PC1）采集电池电压， ADC2（PC2）采集电池温度， ADC3（PC3）采 集放电电流。Atmega8的 21脚 AREF是AD转换器的电压参考源。 20脚 Avcc是 AD转换器的电源引脚， 为了减小电磁 干扰提高测量精度， Avcc是通过 L1和 C6组成的 LC网络才连接至 5V电源端。3、电流电压采样部分电路 （1）本充电器需要实时监控充电过程中的充电电流、电池电压、电池温度以及放电电流值。因此需要运 放电路来对这些参数进行放大。 LM324是一款使用普遍且价格便宜的 4 运放集成电路。其工作电压为 3 3 2V，封装如下图所示：电流检测电路如下图所示。通过检测与电池串联的电流检测电阻 R26 上的电压，即可计算出充电电流 和放电电流。运放 2 为充电电流检测放大器，运放 3 为放电电流检测放大器。两路放大器的增益均为： R27/R3087/6.6 13。即最大电流检测值为：基准电压 / 电流放大器增益 /R26 3.7/13/0.12.8A（2）电池电压检测电路 为了监控电池电压，需要将电池电压变换在单片机的AD测量范围以内，即 0 至 Vref 范围内。这里采用了一个普通的差分放大电路。如下图所示：其运放输出电压 TEST_VVbatt