CN201323466Y - 一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器 - Google Patents

一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提出了一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器，在每次充电前、充电过程中和充电结束后检测并记录充电过程中电池充电量、端电压、电流、内阻、电池温度、充电时间等参数，计算并比较各参数的变化量和变化速率，判断电池内部性能劣化的程度和电池的安全状态，并对可能出现的电池安全问题进行预警，为充电电池的使用提供了高安全性保障。

Description

一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器
所属技术领域
本实用新型涉及一种单体电池充电器，特别涉及一种采用单片机(single chipmicrocomputer)进行安全控制的单体电池充电器。
背景技术
单体锂充电电池广泛用于手持设备，包括手机、数码相机、电动玩具、航模等，已知的单体电池充电器有恒压充电、恒流充电、恒流-恒压充电等，充电器在充电过程中检测电池的端电压、电流和温度，当充电电池电压达到限定值时充电器停止充电。恒流-恒压充电技术是先以恒流方式对电池充电，当充电电池电压达到限定值时，转为恒压充电，将恒压值设定为电池的充电极限电压，直到充电电流降低到某设定值时，停止充电。
中国专利200520121329公布了一种安全充电装置，在充电过程中，安全充电装置检测充电电流和电池的端电压，当电池端电压达到规定的充电终止电压时，自动切断充电电路。该充电技术只是在电池的端电压达到规定值时，停止充电，以此避免过充。而在充电电池的寿命后期，电池内部性能严重劣化，电池内阻升高，充电和放电过程中电池可能严重发热，甚至爆炸，仅检测电池端电压，避免过充，不能保证充电安全。
另一种充电技术是检测电池端电压的同时检测电池温度，在电池温度异常升高时切断充电电源，停止充电。其问题是电池温度异常升高时，电池本身已经处于不安全状态，此时切断充电电源不能阻止电池内部已发生的异常电化学反应，电池继续发热甚至爆炸的危险依然存在。
研究表明，随电池充电-放电循环次数的增加，电池容量下降，电池的内阻增加，电池内部性能劣化直至最终彻底失效的过程是一个逐渐累积的过程，在每次充电过程中通过对电池内阻分析，判断电池内部性能劣化的程度，可以对电池可能出现的安全问题予以预警。
实用新型内容
本实用新型提出了一种单体电池充电器，为了克服通常的充电技术在电池安全预测分析方面的局限性，本实用新型提供一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器，该充电器在每次充电过程中检测充电电流、电池端电压和温度，控制充电终止电压，进行温度保护，同时还能检测和计算充电容量及电池的内阻，通过对包括电池内阻在内的多个电量参数分析，判断电池内部性能逐渐劣化的过程和程度，对电池的失效及可能出现的安全问题予以预警。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器，它由单片机、温度传感器、存储器、A/D转换电路、电压检测电路、驱动电路、电量计量和电流检测电路、电流控制电路、AC/DC电源和指示电路组成，单片机与温度传感器、存储器、A/D转换电路及驱动电路相连接，驱动电路与电流控制电路相连接，A/D转换电路与电压检测电路及电流检测电路相连接，单片机是具有逻辑控制和数字计算功能、可执行预制程序的单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)，包括但不限于微控制器(Microcontroller)、数字信号处理器(Digital Signal Processing)，温度传感器安装在充电器外壳的上表面，温度传感器与置于充电器凹槽内的充电单体电池相接触。
在存储器中预先存储充电电池的额定容量、寿命及在不同端电压下的标准内阻值。
在每次充电开始前，单片机检测充电电池的端电压、电池内阻和电池温度，并与存储器中预先存储的各参数值相比较，各参数的差值在规定范围内，单片机通过驱动电路向电流控制电路发出控制信号，开启充电电流，开始充电。
单片机检测电池内阻的方法是：
(1)单片机向驱动电路与电流控制电路发出控制信号，关断充电电流，关闭充电电路，测量电池的空载电压。
(2)单片机向驱动电路与电流控制电路发出控制信号，开启充电电流，测量电池的带载电压和实际电流。
(3)利用下面公式计算电池内阻：
R＝(带载电压-空载电压)/实际电流
充电过程中及充电结束后，单片机检测并存储本次充电过程的电参数，包括充电量、电池端电压、电池内阻、电池温度和充电时间，计算并存储累计充电量，采用以下方法控制充电过程，判定电池状态，进行电池安全预警。
1、单片机定时检测电池的端电压，当电池电压达到规定的充电截止电压时，单片机向驱动电路和电流控制电路发出控制信号，关断充电电流，结束充电过程，并通过指示电路发出充电结束的指示。
2、单片机将本次检测的充电容量及内阻值与存储器中预先存储充电电池的额定容量及在不同端电压下的标准内阻值相比较，计算电池容量及内阻值的变化量，当变化量达到或超过规定值时，关断充电电流，并通过指示电路发出电池安全警示。
3、单片机将本次检测的充电容量及内阻值与存储器中上一次充电过程中检测并存储的充电容量及在不同端电压下的内阻值相比较，计算电池容量及内阻值的变化量，当变化量达到或超过规定值时关断充电电流，并通过指示电路发出电池安全警示。
4、单片机计算电池的累计充电量，累计充电量达到规定值，关断充电电流，并通过指示电路发出电池安全警示。
5、单片机采集温度传感器的温度，判断电池温度，当温度异常时，单片机向驱动电路与电流控制电路发出控制信号，关断充电电流，停止充电，并通过指示电路发出电池过热警示。
本实用新型的有益效果是，在每次充电前、充电过程中和充电结束后，充电器检测并记录充电过程中电池充电量、端电压、电流、内阻、电池温度、充电时间等参数，计算并比较各参数的变化量和变化速率，判断电池内部性能劣化的程度和电池的安全状态，并对可能出现的电池安全问题进行预警，为充电电池的使用提供了高安全性保障。
高安全性保障下，可以适当提高充电电流，缩短充电时间，提高充电效率。
充电器全面记录每次充电过程中电池充电量、端电压、电流、内阻、电池温度、充电时间等参数，从而记录了充电电池整个寿命周期各项电参数的变化过程，为进行电池失效机理分析提供了数据基础。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是充电器电路连接框图。
图2是充电器内部结构示意图。
图3是单片机的程序流程图
图中1.充电控制板，2.单片机，3.温度传感器，4.存储器，5.A/D转换电路，6.电压检测电路，7.驱动电路，8.电量计量和电流检测电路，9.电流控制电路，10.AC/DC电源，11.指示电路。
具体实施方式
本实施例中的单体电池为3Ah锂离子充电电池，电池电压限制范围为2.7V-4.25V，充电截止电压为4.2V，电池温度限制范围为0-55℃，充电电流0.2-1A。内阻限制范围为5-40毫欧，电池在充电过程中的电池电压变化速率限制范围依端电压和充电电流而变化，其数值按以下公式计算：
电压变化率下限(V/min.)＝0.5×I×K
电压变化率上限(V/min.)＝2×I×K
其中I是当前充电电流，K是电池初次充电时的端电压变化速率，K与电池的端电压相关，K的数值以数据表的形式预先存储在存储器(4)中，其对应关系参见下表：
  端电压(v)   3.0   3.2   3.3   3.4   3.5   3.6   3.7   3.8   3.9   4.2
  K(V/min/A)   0.2   0.05   0.03   0.02   0.01   0.01   0.01   0.01   0.03   0.3
参见图1，制作充电控制板(1)，单片机(2)选用美国atmel公司生产的AT89S52微控制器(Microcontroller)，温度传感器(3)选用TMP75数字温度传感器，存储器(4)选用AT24C256串行数字存储器，A/D转换电路(5)选用美国MAXIM公司生产的MAX1236，电压检测电路(6)选用LM258A集成运算放大器集成电路，驱动电路(7)选用MAX5160数字电位器，电量计量和电流检测电路(8)选用美国MAXIM公司生产的DS2751电量计量集成电路，电流控制电路(9)选用IRF7220场效应管，AC/DC电源(10)采用AC220V输入、DC5V3A输出的开关电源，指示电路(11)采用5只发光二极管，分别指示充电过程中电池的不同状态。
充电控制板(1)包括单片机(2)、存储器(4)、A/D转换电路(5)、电压检测电路(6)、驱动电路(7)、电流检测电路(8)和电流控制电路(9)，参见图1，采用通用方法连接各部分电路，充电控制板(1)与AC/DC电源(10)，温度传感器(3)相连接。
参见图2，AC/DC电源(10)置于充电器内的一端，温度传感器(3)置于充电器外壳的上表面，充电单体电池安装在充电器的凹槽内，与温度传感器(3)相接触。
参见图3，编制单片机程序。
连接各部分电路后，将单体电池安装在充电器的凹槽内，连接外部220V电源，对电池充电，充电过程中，充电器中的单片机依预制程序，检测并存储电池的各项参数，判断电池的安全状态，当充电结束后，充电器自动关闭充电电流，指示电路指示充电结束。

Claims (3)

1、一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器，包括单片机、温度传感器、存储器、A/D转换电路、电压检测电路、驱动电路、电量计量和电流检测电路、电流控制电路、AC/DC电源和指示电路，其特征在于：单片机与温度传感器、存储器、A/D转换电路及驱动电路相连接，驱动电路与电流控制电路相连接，A/D转换电路与电压检测电路及电流检测电路相连接。
2、根据权利要求1所述的一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器，其特征在于：所述的温度传感器安装在充电器外壳的上表面，温度传感器与置于充电器凹槽内的充电单体电池相接触。
3、根据权利要求1所述的一种采用单片机进行安全控制的单体电池充电器，其特征在于：所说的单片机在充电开始前、充电过程中及充电结束后，检测充电电池的端电压、电池内阻、电池温度、充电电流和充电量，并将检测的数值与存储器中的数值相比较。
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