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1、南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:袁晨学 号：0910190251学院(系):自动化专 业:电气工程及其自动化题 目:动力电池恒压/恒流充电技术研究教授方斌指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2013 年 5月毕业设计说明书（论文）中文摘要随着当今社会科学技术的发展，二次电源的市场迅速拓展。而锂离子电池以其高效、无污染、噪声小等优点成为电动汽车、便携设备等行业的一个重要研究领域。而锂离子电池的使用寿命和容量受充电电路的影响较大，故一个性能优异的充电器显得尤为重要。本文主要介绍了锂离子电池的工作原理、应用和发展以及几种充电原理和方法。运
2、用一种电池模型,搭建了恒流、恒压、恒流-恒压三种充电电路。通过Multisim软件进行了几种充电电路的仿真研究，并通过示波器观察电流、电压变化曲线，并与理论曲线相比较。这样更加透彻的了解了锂电池的充电过程,直观地反映了各种充电方法的优缺点，为更加优异的充电方法提供了思路。关键词 锂电池 恒流/恒压 充电器 Multisim毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Study of constant voltage / constant current charging technology for battery Abstract In todays society with the deve
3、lopment of science and technology, the market of secondary power expands rapidly. The lithium-ion battery become an important research area of the electric car, portable equipment and other industries due to its advantages of high efficiency, no pollution, little noise. And the service life of the l
4、ithium-ion battery and capacity are greatly influenced by the charging circuit，so a excellent charger is of great importance.This paper mainly introduces the working principle, application and development of the lithium ion battery as well as the charging principle and methods.We set up three models
5、 of charging circuit,constant current constant voltage and constant current-constant voltage included,and have a research of the charging circuits with the help of Multisim.By comparing the current, voltage curve with the theoretical curve,we can have a thoroughly understanding of the charging proce
6、ss of the lithium ion battery and see the advantages and disadvantages of various charging methods.This provides a way for better charging methods.Keywords The lithium-ion battery Constant current-constant voltage Charger Multisim目 次 1引言11.1背景11.2结构安排22 锂电池简介和发展32.1锂电池介绍32.2锂电池的应用72.3锂电池的市场和生产状况72.4
7、发展趋势73充电原理和方法93.1理论基础93.2充电方法103.3均衡充电134 充电器件及电路164.1充电电池模型164.2器件LM317介绍174.3充电保护204.4变压器整流直流电源的产生215 仿真及结果235.1简单稳压充电235.2恒流充电245.3恒流恒压充电25结论30致谢31参考文献321引言1.1背景汽车在社会进步和经济发展中扮演着重要的角色,但是汽车的发展主要以地球上有限的矿物燃料资源为基本前提，目前及今后相当长的一段时间里,绝大部分汽车都是靠燃烧各种燃料驱动的。随着世界原油储备的下降，能源短缺的问题逐渐凸显。此外,气候变化、环境污染等问题都促使人们对汽车节能减排更
8、加的关注。随着中国经济的快速发展与人民生活水平的逐步提升,越来越多的中国普通百姓家庭拥有了汽车,汽车及相关产业的发展将成为中国的重要经济支柱之一。2009年中国的汽车保有量已经达到6962万辆,由于汽车保有量的快速增加,我国的燃油消耗也相应快速增加,对我国燃油供应甚至是整个中国经济都造成了相当程度的冲击。自1993年开始,我国己成为石油净进口国,而且进口数量在逐年增加,对国际市场原油依存度与日俱增。资料显示到2020年后,我国石油消耗总量的50%以上需要进口石油来提供,这无疑对我国能源安全形成严重威胁。随着我国汽车保有量的增加，汽车排放的问题日益严重。汽车造成的污染除了交通扬尘，主要是尾气排放
9、。发动机燃烧后，排放的主要污染物包括碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和细微颗粒物。汽车尾气更接近地面,也更接近经常在市区活动的人群，因此对我们的健康有更大的危害。汽车尾气中细小的颗粒物可进入我们的呼吸道，附着在肺壁上能引起呼吸系统疾病，损坏肺部，使己有的呼吸及心血管问题恶化。当颗粒有毒时，可能导致癌症，还可刺激皮肤和眼睛，造成皮炎、眼结膜炎。尾气在直接危害人体健康的同时，还影响着气候和环境。汽车尾气容易导致酸雨的发生，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森林的生长。二氧化碳则是引起地球变暖的罪魁祸首，全球变暖会造成两极冰川融化，平面上升，此外还会造成农作物减产甚至大量物种灭绝。了减缓全球气
10、候变暖，多国家都开始重视节能减排和发展低碳经济。为了应对能源危机、环境污染和气候变化，发展电动汽车是一个重要的方向。电池是电动车的重要能量存储系统，是关键核心部件。其性能直接关系到电动汽车的行驶里程、使用寿命、经济性与动力性等问题。锂离子电池具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长、自放电电流小、无记忆效应、无污染和性价比高等优点，锂离子电池的放电曲线很平坦,可以在电池的整个放电期间内产生稳定的功率。因此锂电池成为车用动力电池的首选。同时锂电池以其独特的优势在科学技术日益发展的今天在很多行业中广泛应用，其市场迅速拓展。在我们日常生活中也是随处可见。锂离子电池的快速、均衡、
11、安全充电可以延长电池使用寿命，高效率和性能。因此一款可靠的充电器就显的尤为重要。1.2结构安排本文在假设每个单体电池性能相同情况下，采用恒压、恒流、恒流-压三种电路对简单的单体电池模型进行充电仿真，观察其充电电流和电压。和理论上的充电曲线相比较，更加透彻地了解充电过程，以及直观的看出各种充电的优缺点。全文可分为五章:第一章引言，介绍了恒压-恒流充电的研究背景和意义，介绍了全文的结构安排。第二章锂电池的简介和发展，介绍了锂电池的工作原理和优缺点以及锂电池的应用市场和发展趋势，且和其它小型蓄电池做了比较。第三章充电原理和方法，详细阐述了各充电原理和方法，并对均衡充电进行了分类。第四章充电器件和电路
12、，介绍了下文电路中主要器件的使用方法和注意事项。设计了市电到9V电压的转换电路以及电池模型。第五章仿真及结果，设计并用软件仿真了三种的简单的充电电路，用示波器输出了电流、电压曲线，并与理论的曲线相比较，分析总结了仿真结果。2 锂电池简介和发展本章主要介绍了锂离子电池的发展状况、工作原理、应用以及优缺点，介绍了目前的锂离子电池的市场、生产和发展趋势，且和其它小型蓄电池做了比较。2.1锂电池介绍电池可以分为化学电池、生物电池以及物理电池。传统意义上的锂电池基本由正极、电解液、负极组成，一般可以分为原电池(一次性电池)和锂二次电池（可充电）。我们日常所熟悉的原电池有碱锰电池、锰干电池等，二次电池有铅
13、酸电池、镍镉电池、镍氢电池。俗称的“锂电池”是由锂原电池和锂离子蓄电池等组成的，对于原电池，我们日常所熟悉的纽扣式(锂锰)电池是锂原电池；而电脑等小型设备使用的锂电池多为锂离子蓄电池，即锂离子电池。小型便携电子设备在科学技术日益发展的今天以飞快的速度迅速更新发展，这就对电源提出了更加高的要求。在人们对电池研究的过程中，由于锂金属的小原子量和最负的标准电极电位的良好特性，使得研究人员们一直以来把用金属锂作为电池的负极当做一个研究方向。电子手表、计算机电源首先作为锂电池广泛应用的地方，20世纪80年代中期以后，金属锂蓄电池商业化产品开始出现。1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫
14、化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。1978年，科学工作者提出正负极都用锂离子嵌入、脱出的活性物质构成电池，并进行了大量的研究。1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。1990年，日本SONY公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，锂只以锂离子的形态存在，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳是有很多微孔的层状结构，这样达到负极的锂离子就会嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。这种电池为了区别于“金属锂蓄电池”
15、，就称作“锂离子蓄电池”。锂离子蓄电池的推出，打开了世界范围内对其的广泛研究，几年时间便得到了广泛的应用。2000年，日本锂离子电池销售额更是高达3万亿日元123。2.1.1锂离子电池定义锂离子电池的定义一般可描述为“以能够吸收并去除锂离子的含有锂离子的金属氧化物作为正极，以能够吸收并去除锂离子的碳材料作为负极，基于局部化学反应原理的非水蓄电池”。在广义的范畴内其负极材料也可采用其它材料，如金属氧化物。这里局部反应是指主体分子吸收并去除客体分子或客体离子的现象3。2.1.2 锂离子电池的工作原理锂离子电池的结构是由可/嵌入锂离子的正极和可/释放锂离子的负极构成。中间是电解质，把正极与负极隔开,
16、锂离子可以通过而电子不能通过。通过锂离子在正负电极之间的移动来完成电池的充电和放电,而材料结构不会发生不可逆变化。充电时,正极中的锂原子电离成锂离子和电子。锂离子在外加电场作用下,在电解质中由正极迁移到负极,还原成锂原子,插入到负极的层状结构中。放电时,锂原子在负极表面电离成离子和电子,通过电解质和负载流向正极,在正极重新和电子复合成锂原子然后插入到正极的层状结构中。在充放电过程中，锂离子在正极和负极之间过来过去的移动，如果我们把锂电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂电池一个可爱的名字摇椅式电池所以最初锂离子电
17、池又被称为“摇椅电池”。图2-1 锂离子电池充放电原理图由原理图2-1可以看出,锂离子电池的高倍率充放电性能与锂离在正负电极、电解质以及它们界面处的迁移能力密切相关4。因此围绕锂离子动力电池快速充电的研究,即为如何提高锂离子在充放电的迁移速度5。2.1.3锂离子电池优缺点锂离子电池的优点：1）工作电压高单体锂离子电池的工作电压高达32v-37V，约等于3只镍镉电池或镍氢电池的串联电压，便于组成电池电源组；2）重量轻、比能量大具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍，在金属中，锂作为电池的材料具有的优势在于提供高电压、高能量密度的同时，其重量是最轻的。同时l
18、克金属锂的放电容量最大，使用少量的金属锂就可以获得大的电池容量，以此来实现电池的轻量化；3） 电池寿命长锂离子电池的容量大使用寿命相对较长，与镍镉、镍氢电池相比，锂离子电池的使用寿命，在相同的电压下是镍镉、镍氢电池的15倍，在相同的重量下是镍镉、镍氢电池的15-2倍。目前锂离子电池的循环次数一般在500次以上。4） 自放电率低由于电解液与电极之间没有化学反应发生，电能损失很少，室温下充满电的锂离子电池储存1个月后的自放电率为10左右，大大低于镍镉电池的2530、镍氢电池的30-40。5） 放电连续平稳锂离子电池可连续平稳地放电，曲线平滑。6） 无记忆效应、无污染绿色环保，不论生产、使用和报废，
19、都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。是世界范围内公认的绿色环保电池。同时也没有镍镉电池的记忆效应；尽管锂离子电池有以上诸多优点，但同时其也存在一些缺点：1） 安全性锂电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。钴酸锂材料的锂电池不能大电流放电安全性差；2）放电电流小锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间（内部会产生较高的温度而损耗能量）。在平时的使用中应该小于最大厂方给定的最大放电电流；3） 生产成本电池生产要求高，成本大。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难；4） 需要保护在使用中要注意过充和过放的保护，过充将破坏正极结
20、构而影响性能和寿命，过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。相比于聚合物锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池、燃料电池，锂离子电池在循环寿命、重量能量密度、月自放电率、过充承受能力、单体额定电压方面有一定得优势，下表2-2详细的说明的这点：表2-2 几种蓄电池的比较铅蓄电池镍氢电池锂离子电池燃料电池工作电压（V）21.23.70.6-0.8比能量（Wh/kg）35-4075-80110-160500比功率（W/kg）50160-230300100体积比能量（Wh/L）80100-200200-2801000充放电寿命（次）300-500500-1000600-1500自放电率（%/月）
21、530-355极低优点原材料丰富、廉价、技术成熟高倍率放电性好、耐充放电能力强、耐过充放能力强、寿命长、高低温性能好、安全性好能量密度高、平均输出电压高、输出功率大、自放电小、无记忆效应、可快充、寿命长比能量高、能量转换率高、性能稳定、安全性好、环保缺点比能量低、寿命短、环境污染自放电率高成本高、须保护电路、防止过充放成本很高、寿命短、电流小、比功率小2.2锂电池的应用锂电池现在现在应经在小型便携设备、电动汽车行业、航空航天军事国防中得到了广泛的应用。我们平时使用的手机、摄像机、MP3、剃须刀等生活必需品都离不开锂电池，同样锂离子电池以其独特的优势在月球着陆器和太空漫游器扮演者不可缺少的角色。
22、目前在航空领域锂电池主要用于飞行器的发射和飞行中的校正，正在研究将其用于航天任务中，而我国独立自主发射的“神州七号”已经将锂电池作为主电源。在一些尖端武器中，因为灵活性和轻量型的要求，导弹和潜艇中也广泛使用锂电池6。2.3锂电池的市场和生产状况在目前全球的小型锂离子市场主要集中在移动通行、摄像拍照以及笔记本电脑上，这个市场占到了整个锂电池市场的91.5%以上,在电子产品领域锂离子电池几乎可以说已经占据了整个市场。2011年全球锂离子电池（LIB）出货量为46.4亿单元，同比增幅为17.2%；而新能源汽车近几年的飞速发展预计会给锂电池的需求量带来爆发的增长。预测至2015年动力锂电池需求将成百倍
23、增长，从目前70.08MWh 增加到8003.49MWh 的需求量。近几年锂离子二次电池的生产和发展，已经形成了中国、日本、韩国三分天下的格局。我国是世界最大的锂离子二次电池的生产基地之一，生产地主要集中在广东、浙江、江苏、山东等地，其中广东有占了其中的绝大多数。在深圳的企业比亚迪，东莞新能源，索尼电子，比克等为代表的一批领先的国产锂离子电池制造商引领者中国锂离子电池的发展，而比亚迪又凭借其独特的汽车产业优势，将锂电池更好的应用到了汽车行业，实现了双赢，其公司生产的电动汽车在世界领域里享有很高的声誉。2.4发展趋势随着太阳能,风能产业的发展,锂离子电池在这些产业方面将大有作为。电动汽车的产业化
24、估计在今后10年内完成,近十年内必须开发出高比能,高比功率,能快速充电和具有深度放电功能,循环和使用寿命长,安全,不污染环境,可再生及价格合理的电池及相关材料。将高容量纳米正、负极材料组合搭配起来所行成的高容量纳米锂电池重量能量密度高，寿命更长，将成为一种新的研究方向，这种技术奖突破锂电池研究的瓶颈，增加电池的性能。由纳米级电池材料及制程技术的创新开发，所开发的薄膜锂电池，将有机会应用于新世代的产品上面。3充电原理和方法本章主要介绍分析了几种锂电池充电的理论基础和几种充电方法以及几种均衡方法的分类。3.1理论基础美国学者J.A.Mas指出,在充电过程中,超过充电接受曲线的任何充电电流,不能提高
25、充电速率,而且会增加析气量;小于此接受曲线的充电电流,便是电池的允许充电电流,不会对电池造成伤害，如图3-1所示。J.A.Mas同时指出,通过瞬时停充或大电流放电, 如图3-2所示，可以消除极化现象,使电池的可接受充电曲线不断右移,从而大大提高充电速度和效率,缩短充电时间。也就是说,在电池充电接受能力下降时,可以在充电的过程中加入放电来提高接受能力。这就是快速充电的基本理论依据7。图3-1 动力电池充电特性曲线图3-2 动力电池充电式的瞬时放电曲线3.2充电方法3.2.1 恒压充电（CV）恒压充电是指单体电池以一恒定电压进行充电。其优点是随着电池的荷电状态的变化,自动调整充电电流,如果规定的电
26、压恒定值适宜,就能保证电池的完全充电。图3-3是电池恒压充电的充电曲线，从下图可以看出其缺点是蓄电池充电开始的初始阶段，流过锂离子电池的充电电流太大,它对锂电池的寿命会产生负面影响。图3-3 恒压充电法曲线3.2.2 恒流充电（CC）恒流充电,即电流维持在恒定值的充电,多采用恒流或分阶段恒流。我们按照所选充电电流的大小不同，将恒流充电（CC）分为快速充电、浮充充电（又叫做涓流充电）和标准充电。该方法如下图3-4所示，在电池的充电过程中该方法采用恒定电流进行充电。由于这种充电方式操作简单，所以对多个电池串联的电池组来说，这种方法特别合适。但是在充电后期，由于锂电池的可接受电流能力下降，如果恒定大
27、小的充电电流继续作用于电解溶液，会导致电池内部产生大量的气泡。这种情况不单单会使电池容量降低，更会造成电池的物理性损伤，使电池的使用寿命随之变短。图3-4 恒流充电法曲线根据J.A.Mas曲线,当电池以一恒电流I1充电时,到达时间t1,电池开始出气,如果电池继续以I1电流充电,不仅不能充满,而且将损坏电池78，如图3-5所示。图3-5 动力电池恒流充电曲线3.2.3恒流恒压充电（CC/CV）采用恒压、恒流相结合的充电方式。共可以分为恒流充电CC周期和恒压充电CV周期两个部分。当电池接入充电器后,首先以C/15(C为单体电池的容量)量级的小电流进行充电,当其电压上升到恒流门限(2. 5V)时,则
28、进入恒流充电阶段,以较高的恒定速率(1C )对电池进行快速充电。此阶段容易对电池过度充电，因此必须对其进行端电压检测，当电池电压到达恒压门限(4. 2V)时,转入恒压充电阶段,充电电流不断减小,当充电电流降到C/10或C/15时,即终止充电9，如图3-6所示。此方法弥补了前两种方法的不足,但不能消除电池充电时的极化现象,影响充电效果。图3-6 恒压恒流充电曲线3.2.4 脉冲充电图3-7为脉冲充电方法示意图，在小电流、恒流区和恒压恒流充电方法是一样的,当电池电压到达恒压门限(4. 2V)时,脉冲充电模式开始。在脉冲区,充电电源间歇性地对电池以恒定电流充电,根据J.A.Mas所提出的理论,目的是
29、消除极化现象。随着电池逐渐充满,充电时间越来越短,停充时间越来越长,占空比越来越小。当占空比低于5%至l0%时,终止充电9。图3-7 动力电池脉冲充电特性曲线3.2.5 智能充电智能充电是目前比较先进的充电方法,其原理是在整个充电过程中动态跟踪电池可接受的充电电流,应用du /dt技术,即充电电源根据电池的充电状态自动确定充电参数,使充电电流自始至终保持在可接受的最大充电曲线附近,使电池在很少气体析出的状态下快速充满电，如图3-8所示。缺点是电池在使用一段时间以后,可接受的理想充电曲线会发生变化,其充电参数也需要调整8。图3-8 动力电池智能充电曲线3.3均衡充电一般而言，电动汽车的锂离子电池
30、需要75节电池串联供电，达到200Ah/300V；而对于大功率的电动客车，需要125节电池串联供电，达到500Ah/500V。电池串联的电池组存在着很大的弊端，因为单体电池存在不一致性，其容量会产生差异，而串联电池组的容量是由单体电池的最小容量决定的，这些差异会使电池组的使用寿命缩短。为了减小不平衡性对动力电池组的影响，在充电过程中，要使用均衡电路1011。3.3.1化学均衡法为提高锂电池的安全性、防止过充,Abrahan.lK. M等人提出在锂电池电解液中添加一定比例的氧化-还原电对的方法,当电池正极的电位过充时,该电对被氧化,然后扩散至电池的负极再被还原,这样在电池的正负极之间来回穿梭,抑
31、制电池正极电位的升高,避免电极材料和电解液的氧化,提高了电池的抗过充能力。Chen. J等人经实验证明,电池组中电压上升较快的电池不会被过充,其它电池还可以正常充电,达到了均衡充电的效果12。3.3.2物理均衡法13-171）按耗能分类从均衡过程中电路对能量的消耗情况角度出发，电池组电量均衡的方法可以分为两类：a. 能量消耗型这种类型的均衡方法是通过给指定电池组中的单体电池并联一个电阻的方法，在某一个单体电池的电压出现异常偏高时候对其进行放电，从而达到均衡的目的；b. 非能量耗散型这种类型的均衡方法是借助于控制均衡回路中开关管的状态，把单体电池上的电量进行转移，可以转移到整个电池组，也可以转移
32、到单个电池。这种的方法的优点是耗能较小，但是控制难度大，电路结构也很复杂；2）按均衡功能分类从均衡装置可以使用的阶段出发，均衡电路可以分为以下几种：a. 充电均衡这种均衡方式通常是在电池组单体电压达到设定值的时候开始均衡，可以使均衡装置或者均衡方法在充电过程中实现。这种方法的优点是可以防止过充电，同时，也使得容量小的电池过度放电的机会大大增加；b. 放电均衡 我们把电池的放电期间，同坐向电压相对较小的单体电池增加能量的行为实现均衡的方法即放电均衡，它可以防止电池的过放电。放电均衡的使用，提高了低容量电池过充的可能性。还有一种方法是通过单体电池自身的两端电压的变化，从而控制电池放电时间，以此来实
33、现均衡；c. 双向均衡双向均衡是结合上面两种方式的优点产生的。这种方法是在整个充电过程中对电池组进行均衡，从而可以避免充电均衡和放电均衡过程中的缺点。在目前，应用电容、电感等实现能源转换的方法大都是利用的双向均衡；充电期间，如果发生有单体电池的两端电压比起初预置的数值大的情况，在系统开关电路的帮助下，使充电电流减小，也可中断对其进行充电。同理，在放电期间，如若单体电池的两端电压比预设的数值小的情况下，通过系统开关，断开次电池的放电，但是其余电池仍然需要接着放电，一直打到和上述电压同样为止；能够达到这两点，便可以达到双向均衡。这种均衡适用于单体电池之间差别较严重的蓄电池组中。然而双向均衡方法带来
34、的负面影响也是不可忽视的，此均衡会让系统的能量损耗瞬间增加，而且系统开关偏多，控制复杂。3）按均衡电路拓扑结构分类a.集中均衡集中均衡法又可以分为两种，其一是控制继电器来实现同一均衡单元对单体电池的单放或者单充；其二是借助于多绕组变压器来实现单体电池盒整组电池之间的能量传递；b.独立均衡独立均衡是通过对模块进行分别控制，依次给电池组安装若干块均衡模块，达到均衡的目的。均衡分类如图3-9所示：图3-9 串联电池组均衡方案分类4 充电器件及电路本论文中在对充电器充电电路进行仿真研究的时候主要用的是Multisim 11.0软件。Multisim 11.0是一款美国国家仪器（NI）有限公司推出的以W
35、indows为基础的仿真工具，其适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。软件包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。含有200多个通用通信和数学模块，包含了工业中的大部分编码器、调制器、滤波器、信号源、信道等，并且可以任意制作出自己想要使用的虚拟仪器、仪表等，并能够在计算机环境和实际环境中进行仿真和使用；其优点在于它拥有直观的图形界面、丰富的元器件、强大的仿真能力、丰富的测试仪器、完备的分析手段、独特的射频（RF）模块、强大的MCU模块、完善的后处理、详细的报告、兼容性好的信息转换等。4.1充电电池模型因为在Multisim仿真软件中没有蓄电池充电模型的器
36、件，所以只能依靠蓄电池充电的基本特性，用其它元件搭建蓄电池的基本仿真等效电路，本论文主要使用的是大电容和电阻串联的方法构建搭造蓄电池充电等效电路的模型，其忽略了电池因为温度、荷电状态等外在因素的影响，以方便充电电路仿真的进行和研究。等效仿真电路如下图4-1所示：图4-1 电池等效电路电路器件参数为： Rt=1；Cd =30mf；Rp=0.5； Rb=1k；其中电容Cd用来模拟极化效果，传播电阻Rb模拟传播性，模型中不包括自放电电阻因为锂电池的自放电特性非常低。4.2器件LM317介绍LM317是美国国家半导体公司的三端可调节稳压集成电路，我国和世界各大集成电路生产厂商均有同类产品可供使用，使用
37、极为广泛。在输出电压的变化范围1.2V到37V时候其能够提供超过1.5A的电流，这款可调稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。在安全性方面，还使用了内部限流、热关断和安全区补偿使之基本能够防止烧断保险丝，内置过载保护和安全区保护等多种保护电路。LM317的主要参数为l 输出电压：1.25-37V DC；l 输出电流：5mA-1.5A；l 芯片内部具有过热、过流、短路保护电路；l 最大输入-输出电压差：40V DC，l 最小输入-输出电压差：3V DC；l 使用环境温度：-10-+85 。l 存储环境温度：-65-+150 LM317的典型原理图如下图4-2所示，内含29个晶体管
38、；图 4-2 LM317典型原理图下图4-3表示的是最简单的LM317的典型应用电路，同时也很直观明了表示了LM317器件的输出电压Vout的计算规则，展现了输入、输出管脚。输入引脚Vin输入正电压,输出引脚Vout接负载, 电压调节引脚Adj一个引脚接电阻在输出引脚,另一个接可调电阻 图4-3 典型的LM317应用电路在电路中Cin在稳压器离电源滤波器有一定距离是必须得；而Co不是必须的对于稳定性，但其能够改善瞬态响应。按照输出规则 Vout=1.25V（1+R2/R1）+IadR2；而因为Iadj一般很小，在100A以下，所以电压公式的后一项一般情况下可忽略，输出电压就为：Vout=1.2
39、5V（1+R2/R1）。在使用中还有两点要注意：1) 保护二极管当外部电容应用于任何集成电路稳压器时，有时必须加保护二极管以防止电容在低电流点向稳压器放电。下图4-4即展示了在电压输出超过25V或高电容值（Co25F,Cadj10F）时候使用了保护二极管的LM317，二极管D1防止输入短路时Co通过集成电路放电；为了防止输出短路时电容Cadj对集成电路放电加入了D2。通过D1、D2两个保护二极管的的配合很好的防止了输入短路时Cadj经过集成电路放电。图 4-4 带保护二极管的LM317电路2） 最小输出电流的控制每个LM317块都有一个最小输出电流，也可叫做最小稳定工作电流，或者最小泄放电流。
40、其的最小稳定工作电流一般为1.5mA，但由于生产厂家不一样，以及器件的型号不同，最小输出电流可能略有不同，但一般都不会大于5mA。但是，当LM317稳压器件的输出电流小于其稳定工作电流时，这个器件就不能正常工作，当其输出电流大于其最小输出电流时，317器件可以输出稳定的直流电压。当我们使用LM317器件制作稳压电路时，忽略了器件最小的泄放电流，那么我们所搭建的电路就会出现不正常现象，即稳压电源的空载电压和有载电压会产生比较大的差别；要解决器件的最小泄放电流的问题，我们可以通过限定R1值和R2值得大小，从而保证317器件的正常工作。我们可以看出只要保证Vo/（R1+R2）1.5mA，就可以保证3
41、17稳压块在空载时能够稳定地工作。公式中的1.5mA即为317器件的最小泄放电流。通过计算可以得知R1的最大取值为0.83K,而R2/R1的最大值为28.6，所以R2的最大取值约为23.74K。所以在制作稳压电路时，必须保证R1、R2的取值要求，这样才能够在空载时候稳定的工作。4.3充电保护锂电池能量密度高，其充电时候的安全性难以保证，所以在充电时候有一个不容忽视的问题，那就是锂电池的过充过放和短路保护问题。在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上升而产生自燃或 破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化，因而降低可充电次数。
42、DW01是一个应用很广泛的锂电池保护专用集成电路，是为避免锂电池因过充电、过放电、电流过大导致电池寿命缩短或电池被损坏而设计的。它具有高精确度的电压检测与时间延迟电路。其管脚分布如下图4-5所示：图 4-5 DW01管脚分布其典型的应用保护电路如下图4-6所示：图4-6 典型的保护应用电路该电路主要由锂电池保护专用集成电路DW01，充、放电控制MOSFET1（内含两只沟道MOFFET）等部分组成，待充电电池接在和之间，电路输出电压从在BATT和BATT之间引入，电流从BATT到单体电池的和，再通过充电控制MOSFE到BATT结束。在充电过程中，当单体电池的电压超过4.35V，专用集成电路DW0
43、1的OC脚输出信号使充电控制MOSFET关断，锂电池立即停止充电，从而防止锂电池因过充电而损坏。而在放电过程中，当单体电池的电压降到2.30V时，DW01的OD脚输出信号使放电控制MOSFET关断，锂电池立即停止放电，从而防止锂电池因过放电而损坏，DW01的CS脚为电流检测脚，输出短路时，充放电控制MOSFET的导通压降剧增，CS脚电压迅速升高，DW01输出信号使充放电控制MOSFET迅速关断，从而实现过电流或短路保护。4.4变压器整流直流电源的产生电源是为充电电路提供了必备的能量驱动，是一个必不可少的器件。为了将市电220V交流电压变为9V直流电压，要通过一系列的器件实现电压大小和类型的变换
44、。首先通过变压器将市电交流220V变为交流15V，然后通过二极管单向桥式全波整流桥变其为直流电，两个有极性的电容C1、C2作用是作为电源滤波。在此基础上再引入三端稳压器LM7809，从而得到稳定的9V直流电压。图4-7显示的是交流220V到直流9V的变换电路，元件参数如图中标注所示。图4-8显示的是通过示波器观察到的，输出电压波形变化，通过示波器和电压表的结果可以直观的看到成功的得到了所需的直流9V电压。图 4-7 电源电路图 4-8 电压输出波形5 仿真及结果本章主要是几种充电电路的搭建和Multisim软件的仿真以及结果分析。5.1简单稳压充电这节主要是简单的4.2V稳压充电电路的搭建和仿
45、真，以及输出电压、电流变化波形的观察。仿真电路主要是依靠器件LM317作为主器件来实现对电池的稳压充电的，首先是依靠上面介绍的电源变换从市电交流220V变换引入直流9V电，并接入器件LM317作为输入。然后通过控制电阻R3和R2的大小来设置输出电压的大小并将输出接入上文提到的电池的等效仿真电路，实施充电以此来实现电池稳压充电等效电路的构造和仿真。下图5-1即是搭建的等效稳压充电仿真电路，图中万用表显示的是电池两端的电压大小。输出Vout=1.25*（1+R3/R2）=1.25*(1+610/260)=4.18。图5-1 恒压充电电路下图5-2则是通过Multisim软件中接入示波器得到的电压、
46、电流大小的变化曲线图；电流变化是通过测量1电阻端的电压来等效观测的，横坐标为时间轴，纵坐标为电压和电流轴，这一功能能够很直观的观察电压、电流随着时间变化的规则并以曲线表示，以及初略的可以看出实时的电压、电流的大小数值。图5-2 电压、电流变化曲线图从图中可以直接看出电路充电时候电压、电流的变化曲线,电压保持不变。5.2恒流充电下图5-3是建立的LM317恒流充电电路，电路元件参数如图中所示，充电电流设计约为1.25/R3=1.25V/30=0.417A，通过软件仿真，因为通过1上的电压变化曲线即可表现内部的电流变化曲线，故通过示波器观察电阻Rt=1两端的变化曲线如图5-4所示来观察内部电流的变化；通过仿真可以看出恒流充电电流的变化曲线。图5-3 恒流充电电路图5-4 恒流电流变化曲线5.3恒流恒压充电这一节主要是恒流恒压充电电路的研究，依靠上节介绍的恒流充电电路，加入恒流恒压转换模块和逻辑判断模块实行恒流恒压的转换。恒压恒流转换模块如图5-5所示：图 5-5 恒流恒压转换模块当恒流充电
