智能充电器控制电路(2)

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但是，由于电池的区别和试验条件不成熟，电池充放电控制系统的设计还有许多关键技术没有解决好，技术不够成熟，具有很大的发展空间[6]。

1.2 本课题研究的目的及意义

随着社会的发展，各种便携式设备已经逐步走进了我们的生活：手机,MP3,笔记本电脑，数码相机，便携式DVD等已经成为了我们日常生活的一部分。伴随着便携式电子产品的发展，其用电问题也越来越受到大家的关注。目前，市场上有一次电池和二次电池，一次电池是一次性应用的电池，二次电池是可以反复使用的电池。随着便携式设备的发展，无论从节约成本来说，还是从环境保护的角度来说，二次电池都比一次电池更有优势，因此二次电池的市场需求量也越来越大[3]。

锂离子电池自20世纪90年代上市以来，它以能量密度高，使用寿命长的特点倍受重视。基于市场的要求，世界各大电池生产商为了在市场领域里取得优势，无不致力于开发具有能量密度高，小型化，薄型化，轻量化，安全性高，循环寿命长，低成本的新型电池。对此，聚合物锂离子电池具有上述各项优点，是各厂商致力研究的目标。聚合物锂离子电池基于安全、轻薄等特性，广泛应用于便携式设备，所以聚合物锂离子电池是21世纪移动设备最佳的电源解决方案。

然而，锂离子电池已易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电，则会损害电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1C充电速率充电至4.1V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小；当电池充足电后，进入涓流充电过程。为避免过充电或过放电，充电器必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态[5]。

本课题研究的对象主要是锂离子电池的充电原理和充电控制，锂离子电池的充电设备需要解决的问题有：

（1）能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理。

（2）改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命。

（3）能守加强单片机的控制，简化外围电路的复杂性，同时增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电具有更高的可靠性，更大的灵活性。

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2 锂电池充放电特性和充电方法的研究

2.1 锂电池的现状及发展趋势

我国锂电池的研究始于20世纪60年代，70年代初期已开始军用。我国对锂电池的研究几乎与国际同步，但形成规模生产却落后许多。迄今为止，研究单位数以百计，但不少是重复的工作。有的虽然有所创新，但仍未能形成规模生产。目前，日本在锂电池的研制和应用方面处于世界领先地位。

锂电池可用于心脏起搏器，电子手表，计算器，录音机，无线电通信设备，志弹点火系统，潜艇，飞机及一些军事用途。其广泛的用途预示了其广阔的前景。但现状是国内未有高性能的锂电池出现，即在高电压和大电容上未有所突破。因此，现在锂电池的发展方向应集中在电压的升高和电容的增大主面，以此来适应更广泛的用途。

一次锂电池的比能量高于锌-银，锌-镍，镉-镍，锌-锰，碱性锌-锰电池。比功率 比锌-锰电池好，但重负荷特性不及镉-镍和锌-银 电池。一次锂电池主要有Li-SO2、Li-(CFx)n、Li-SOC12、Li-MnO2，等几类[6]。

2.1.1 Li-SO2电池

Li-SO2 电池是1971年发表的专利，其特点是高功率输出，低温性能较好，适用于军用。 Li—SO2 电池都是圆筒卷式结构。负极用厚度为0.33mm的锂片压在铜网上。正极是将PTFE和乙炔炭黑的混合物用铝网网在导电骨架上，活性物质以液体形式加入电解液中。溶剂采用PC和AN的混合物，电解质为溴化锂，浓度为1.8mol／L。电池放电反应形成连二亚硫酸锂(Li2S2O4 )。 电池表示式为 (-)Li| LiBr，PC+AN | SO2 (+) 电池反应为 2Li+2SO2→Li2S2O4

Li-SO2电池是目前研制的有机电解液电池中综 合性能最好的一种电池，比能量高，电压精度高，贮存性能好。其开路电压为2.95V，终止电压2.0V，放电电压高且放电曲线平坦。Li-SO2电池比能量为330Wh.Kg-1 和520Wh.L-1，比普通锌和镁电池高2-4倍。其另一特点是电压滞后现象。电池反应 SO2与 Li之间发生的自放电反应，均使锂电极表面生成Li2S2O4保护膜,防止自放电发生，但带来电压滞后现象。

安全性差是 Li-SO2电池的主要缺点。Li-SO2电池如果使用不当会发生爆炸或SO2 气体泄漏。

2.1.2 Li-(CFx)n电池

Li-(CF)电池以锂为负极，固体聚氟化碳 (CF)为正极(0≤X≤1．5)。 电池表示式为 (-)Li | LiCl4 – PC| (CF)n (+)

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正极反应(X=1) (CF)n +ne → nC +nF 负极反应 Li- e→Li+

电池反应为 nLi + (CF)n →nLiF + nC

电池放电反应产物 LiF在正极上沉淀，碳能起导电作用。 Li-(CFx)n 电池有扣式、圆柱式和针杆形电池等。

电解液通常用 LiAsF6-DMSI(亚硫二甲酯)、LiBF4- (γ-BL+THF)、LiBF4-(PC+1，2-DME)和 LiC1O4- PC等。隔膜为非编织的聚丙烯膜等。

(CFx)n 是通过碳粉和氟在400～600℃生成的夹层化合物，其反应为

2nC +nxF2 → 2(CFx)n

Li-(CFx)n 电池的开路电压 2.8—3.3V，工作电压 2.6V。放电平稳。电池理论 比能量 2260Wh．Kg-1，圆 筒行电池比能量为 285Wh.kg-1 和500Wh.L-1，约为锌-锰干电池的 5—10倍。Li－(CFx)n 电池在贮存过程中元气体析出自放电极微，安全性能好。

2.1.3 Li-SOC12电池

Li-SOC12 电池的负极为锂箔，在手套干燥箱内将 锂箔压制在拉伸的镍网上而得负极。正极活性物质SOC12加入锂后在氩气保护下回流，然后蒸溜提纯去除 杂质和水份。将正极活性物质、乙炔炭黑或石墨粉和PVC乳液按比例混合成膏状，压到镍网上，在真空中恒温干燥。电解液用 LiA1C14-SOCI2溶液。LiA1C14 用等摩尔的氯化锂和三氯化铝制得，或直接从熔盐 中制得。 隔膜采用非编织的玻璃纤维膜。 电池反应为 4Li+ 2SOC12 → 4LiC1+ S + SO2

放电产物二氧化硫部分溶于SOC12,中,硫大量析出并沉淀在炭黑中，氯化锂是不溶物。可能还有如下反应发生 ： 8Li+ 4SOC12 → 6LiC1+ S2Cl2+ Li2S2O4 或 8Li+3SOC12 → 6LiC1+2S+Li2S2O4

Li-SOCl2电池开路电压为3.65V，放电曲线平稳。其比能量高，工作温度范围宽，成本低。但存在两个突 出的问题，即“电压滞后”和“安全”。电压滞后是由于在锂电极表面形成了保护膜LiCI，虽然能防止电池自放电，但导致电压滞后。

Li-SOC12电池放电产物是LiC1，SO2和S，其中SO2和S主要溶解在电解液中。当电池短路时,电池温度升高，引发Li与S的放热反应：

2Li+ S = Li2S +433.Okg.mool-1

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Li2S在 145C下又可与 SOCl2,发生剧烈放热反应。这两个反应很可能是在短路条件下爆炸的触发反应。

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2.1.4 Li-MnO2电池

Li／MnO2 电池广泛地用于计算机、照相机、手机、电子表、电表、军事通讯、电台等领域。用作 Li/MnO2电池正极材料的二氧化锰有γ/β型、α型、λ型以及复合型 (CDMO)等。其制备时所用的原材料、热处理温度和时间等对产物的微观结构 、形貌和粒径大小影响很大，并直接影响到电池的电性能[14]。

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