智能锂电池充电器研究与设计_马银山.pdf
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1、设计研发2022.24271 锂电池的介绍1.1 锂电池的发展史首块锂电池是采用硫化钛作为电池正极,金属锂作为电池负极制作而成1。在此基础上锂电之父J.Goodenough用钴酸锂将电池正极部分进行了改善,但在当时电池因充电设备的不完备,经常出现自燃、爆炸的危险,因此并未普及。直至 1983 年研究员使用锰尖晶石作为电池正极,比利用钴酸锂作为正极来讲,前者更加稳定,导电性、导锂性更加优秀,且氧化性也远低于钴酸锂,即使出现了过充、短路情况,也可以避免电池自燃、爆炸的危险,至此锂电池正式登上了电子产品界的舞台。1.1.1 锂电池的优势锂电池拥有高存储能量密度的特点,与铅酸电池比较,重量较轻,使用的
2、寿命长,具备高功率承受力1,无记忆效应,锂电池对温度的适应性也非常的强,且环保,在电池生产、使用乃至报废,都不会产生任何铅、汞、镉等 有毒有害污染严重的重金属元素与物质。1.1.2 锂电池充电特性锂电池经过一段不使用的时间,就会自动进入休眠的状态,此时的电池内部容量低于正常值,电量的持续时间也随之缩短。电池正常工作时较易激活,只需要正常地进行一次充电和放电就可以让电池恢复,内部也会还原到正常的容量。由于锂电池自身的特点,决定了它没有记忆效应。1.1.3 锂电池充电影响因素我们在给锂电池充电时需要注意,电池需根据充电顺序对充电的电流和充电的电压进行管控,禁止滥充,否则就极容易损坏电池。电压、电流
3、和温度是影响锂电池效能的主要因素。电压方面,在电池充电的这个过程当中,若电压太高,将会发生十分大量的热量,这会使得锂电池正极结构破坏乃至出现短路。电流方面,充电电流必须要根据电池的具体状态分析并进行相应有效的控制。最后是温度,过低或者过高都会影响到电池,温度过低使内部物质的活性反应不充分,温度过高则会破坏内部物质的结构。1.2 锂电池充电电源原理锂电池充电电路用于各类数码产品中。电池的负极一般智能锂电池充电器研究与设计马银山(成都工贸职业技术学院,四川成都,611732)摘要:本设计是一款基于单片机的智能锂电池充电器,主要是在原有的锂电池的基础上增加一块单片机智能控制电路。STM32F103
4、单片机作为核心控制器,并外接 12864 串口液晶 LCD 屏,利用 STM32CubeMX 以及 IAR Embedded Workbench 软件进行单片机配置及程序编写,实现显示当前充电状态、充电耗时、预计完成时间以及当前充电电压和电池电压。同时为了让充电器更加智能化,本设计加入 FS4059 锂电池充电管理芯片,从而提高锂电池充电质量。关键词:智能锂电池;STM32F103;FS4059;充电质量中图分类号:TP271 文献标识码:B ResearchandDesignofIntelligentLithiumBatteryChargerMa Yinshan(Chengdu Indust
5、ry And Trade College,Chengdu Sichuan,611732)Abstract:This design is an intelligent lithium battery charger based on single-chip computer.It mainly adds a single-chip computer intelligent control circuit to the original lithium battery.STM32F103 single-chip computer is the core controller,which is co
6、nnected with LCD12864.SCM configuration and programming are carried out by using STM32CubeMX and IAR Embedded Workbench software to display current charging status,charging time,estimated completion time,current charging voltage and battery voltage.In order to make the charger more intelligent,FS405
7、9 lithium battery charge management chip is added to this design to improve the charging effect of lithium batteries.Keywords:Intelligent lithium battery;STM32F103;FS4059;Charging effectDOI:10.16520/ki.1000-8519.2022.24.013设计研发2022.2428为石墨晶体组成,正极多数是二氧化锂组成。充电时,锂离子从正极向负极运动进入石墨层中1。1.3 锂电池充电优化办法1.3.1 三端
8、稳压集成电路稳压(LM78XX 系列)三端稳压电源是我们最常见的稳压电源,它有固定的输出电压,其名字的最后两位就是其电压值,比如 7805、7809代表了输出电压为正5V、9V。同时也有负电压稳压块79XX系。这类稳压器结构相对简单,外围电路不多,使用起来方便,且内部有保护电路,所以经常在电源电路中使用。电压经过变压之后经整流桥整流,输出再接滤波电容后输入三端稳压器,稳压器输出再接一个滤波电容。具体电路图如图 1 所示。图 1 三端稳压电路图1.3.2 三端可调稳压集成电路稳压相对于方案 A 的三端稳压器来说,方案 B 具有对电压可调的功能,在这里我们就举 LM317 为例说明,LM317 它
9、不仅具备三端稳压器特点,还可对输出电压可调。简单来说 LM317分三端分别为电压调节端、输入端和输出端,在电压调节端两端连接电阻 R1、R2,他们的关系式为:V0=1.25(1+R2/R1),所以只需要调节 R2 与 R1 的比值即可调节输出电压。图 2 可调三端稳压电路图1.3.3 运放串联型稳压电源方案 B 虽然能够实现电压可调,但是实际电路中不可能经常更换电阻来达到调节的目的,也就是说电路不能实现进可调的目的。解决此问题,可加入运放,通过单片机来控制电压的输出,经过数模转换输出到运放进而达到调节输出电压的目的,这种电源虽然结构上来说比前两种更为复杂,但是它应用的场合更多,使用起来更加智能
10、。它的电路图如下图所示:图 3 串联型稳压电路图综上所述,考虑到成本和实用性,本设计采用 A 方案,三端稳压方式。2 主控芯片2.1 单片机的认识在科技大爆炸的当代社会中,单片机俨然身居于领导者的地位,无论是以前各类半智能家电,还是现今的物联网技术,都离不开单片机的身影,在这些产品中,单片机就像是一位领导,按照程序员的要求,带领着各种外扩设备,执行着各种不同的功能,让每个设备发挥其应有的价值 2。举个例子,有一户小区住户想给自己的家庭安装一套智能家居系统。最基本的可以实现指纹识别开门、24 小时环境监控、非法入侵报警三种功能,而想要实现这三种功能,单片机就是必不可少,住户可利用不同的传感器来实
11、现不同数据的检测,通过各类传感器与单片机相连接,各个传感器实时采集环境数值并将数值发送给单片机,单片机通过程序算法依次处理各个传感器数值,并最终在外接的显示屏上显示出来。因此单片机就好比是各种功能电路的领导者,井井有条地管理着各种不同的功能电路。2.2 STM32F103RDT6 单片机最小系统本设计选用 STM32F103 系列单片机作为主控芯片 2。其拥有低的价格以及大量的学习教程,因此用来制作小型智能产品也是非常合适的选择。STM32F103RDT6 单片机有 64 个引脚,需要搭设专用的最小系统才能正常工作,最小系统一般包含时钟振荡电路、供电电路、片内复位电路。如下图所示。3 硬件电路
12、3.1 电源电路设计电源电路的设计主要有 STM32 供电电源部分、充电电源部分、充电电源管理部分、12864 LCD 显示部分和 USB 保护电路部分,为了更好地为各元器件提供稳定的工作电压,同时也为了保证 STM32F103 电路不影响电池充电电路工作电压,选用双通路供电,首先利用经典的 7805 输出 5V 工作电压,其次后级的 AMS1117 稳压芯片就可以将 5V 电压转换成3.3V 电压并提供给 STM32F103RDT6 芯片使用。设计研发2022.24293.1.1 电源整流滤波及稳压电路该电路是由 220V 民用流电转直流电的关键电路,同时也是充电电源部分的整流电路,这个电路
13、是整个电源电路中最简单的部分,主要包括了电源电路中最基本的整流、滤波和稳压三部曲,STM32F103 后级接 AMS1117 芯片进行稳压。电路图如图 5 所示。3.1.2 充电电路电源稳压电路前面仅仅是主控部分的稳压电路,为了确保充电回路不受主控部分影响,我在这里采用了双通道电源供电方法,利用的是 SM8502 作为充电电路的主要供电芯片,SM8502 是一个专门应用在小功率 AC/DC 电源电路的稳压块,输入电影的精度高。3.2 充电管理电路设计我们都希望在手机或其他数码产品在充电过程中能够获得电池保护,让电池损伤降低到最小,但是其实大部分数码产品配备的充电器内部都不会设计有电池管理电路,
14、而是直接采用数码产品内部自带的充电管理电路,而数码产品内部自带充电管理电路一旦损坏,整个用电设备就无法充电了,因此我们现在需要在充电器内部设计一个良好的充电管理电路,包含有涓流充电、恒流充电、恒压充电以及再充电功能,以此最大化减少数码产品的充电电路及电池的充电损伤。恒流充电功能主要用于锂电池初充电状态,锂电池充电快慢受充电设备电压电流影响,电压就好比是速度,而电流就好比是量,电池初始充电时通过将电流维持在恒定值,可以快速地获得锂电池内部容量,依电池容量来获得充电需要的能量,接下来就可以算出总充电量而且可以取得充电需要耗时多久。恒压充电功能主要给电池级间提供电压恒定的充电方法,恒压充电后电路就可
15、以随着电荷状态的变化而自动调节充电电流大小,能够防止电池析气和失水现象发生。涓流充电功能主要是为锂电池提供满电维护充电,主要目的是防止电池充满电后自放电导致容量损失,尽可能延长数码产品电池使用时间。3.2.1 FS4059 介绍FS4059 是一款电池充电管理芯片,属于8-Pin 系列的 IC 芯片。FS4059 的充电电流大小需要借助外部 SEN 以及 BAT 两个引脚上的检测电阻设定,通过对电池进行恒流充电,使BAT 引脚上的检测电阻获得最佳充电电流值。3.2.2 FS4059 工作原理FS4059 工作方式主要分为涓流充电模式、恒流充电模式、浮充充电模式。内部设计123P3Header
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