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3C數碼產品

充電器方案設計開發

2020-03-25

近年來,在我們國家乃至全世界電子產品如春雨后青筍不斷進入我們的視覺。最為直觀的就是手機、MP3、MP4、上網本、數碼相機、電動車等電子產品,這些高科技產品的出現極大的推動了經濟的發展、提高我們生活質量。但是,與此同時也引發了不少的事故,如我們常聽到手機爆炸、電池懷孕、電池發燙等,出現這些問題一方面是由于電池廠家生產的電池不合格,另一方面就是用戶沒有進行合理保護和正常充放電電。為了避免類似悲劇的再次出現,我們可以從充電器方面人手。因此本文提出一款智能化高度集中的多功能充電器。

一、常見電池的分析原理

我們拿最常見的鋰聚合物電池來說明,當然這原理對其他的一些電池都是適用的。我們日常所用的手機電池、數碼相機電池、MP3、MP4等使用的都是鋰聚合物電池,日常生活使用的鋰電基本都是單芯的,而在工業或者要求較高的實驗室使用的基本都是多芯鋰電。所謂的多芯的電池就是將相同容量、內阻一致、放電能力一致的電池做串聯、并聯或者串并聯處理。串聯的主要目的是提高電池的電壓。

我們可以很清晰的看到,用電器使用的電壓越高,則在用電器上流通的電流就會小。一般鋰電單芯的電壓是3.7V。如果通過串聯6組電芯,則在相同的用電器上使用時通過用電器的電流就會小6倍。我們可以知道線路的損耗將降低原來的36倍,沒有串聯使用時的電流是5A,在線路上產生的損耗將是25 R;而串聯之后,電流則是(5/6)A在線路上的損耗就是(25/36)R,由此可以知道這樣做的目的將能減少巨大的能力損失。小電流的放電可以延長電池的使用壽命,因為電池充放電特別是超大電流工作的時候,電池內部的活化因子降低,伴隨而來的就是電池內部發生的化學反應增加電池的內阻。電池的參數一般有6000mah 25C這里的6000mah代表這個電池可以用6A的電流持續放電1個小時,如果使用12A的電流進行放電,則可以放電3O分鐘。同理可以推算,也就是說使用放電的電流越小則放電的時間就越長。這里的25C代表的是這個電池最大的放電電流是6000*25/1000=150A。

充電器方案開發公司

二、電芯結構及原理

綜上所述,我們知道很多場合我們是將電池進行串聯或并聯使用的。智能充電器的設計就順理成章的出現了,這是因為多個電芯在充放電的時候需要集中統一管理才能保證電池最大的使用壽命。目前,我們用的充電器基本是串聯直接沖電的即在充電時只對總的電壓進行監測如果充電池監測的電壓達到標準電壓則停止給電池充電。如此發達的工業社會中,絕大對數的產品都是生產線生產,這樣就會出現一種現象就是每一個電芯的內阻都是不一致的。

使用電池放電時,電芯內部的化學反應基本都是一樣的,但是參與反應的劇烈程度有可能是不一樣的。我們以6組電芯串聯的舉例即6s電池,由于電池是串聯的,所以在使用過程中通過每一片電芯的電流是一樣的,根據歐姆定律我們可以知道。但是由于每一片電芯的內阻不一樣,在電池內阻消耗的能量石不一樣的,在放電結束后則會表現出每一個電芯的電壓是不一樣的。有可能有些電芯的電壓是3.7、3.8、3.6等,如果出現這種情況,使用這種串聯充電器時就會出現這種現象總電壓是25.2V時,可能有些電芯出現過充,而有些電芯則處于沒有飽和的狀態。對于過充電芯會嚴重縮短電池的壽命,對于沒有飽和的電芯:則在使用的過程中會吸收其他電芯的電能,也是不利于電池的使用的。

三、智能充電器的設計原理

傳統充電器的設計已經不能滿足用戶的需求了,而且對于過充電池還有可能導致電池爆炸。為了更加安全舒適的享受科技帶來的樂趣,而專門研究這一款智能充電器。這款充電器使用的充電方式不再是串行充電方式而是采用的是并行方式,并且在設計的同時還添加了獨立平衡的過程。智能充電器的原理是這樣的:我們采用的是的主控芯片是A T M EG A 128型號的A V R單片機,該單片機具有8路10位的高速A D轉換口,能快速采集并轉換成數字信號,可靠性高保密性強。該充電器中主要設計了一個電壓環電路,電壓環電路主要是檢測電芯的電壓是否等于標準的設定電壓,如果與設定電壓一直則采用的是線性的小電流慢慢灌人電池內使其能夠保存更優質的電能;另一個則是電流環電路,該電路還需要把O.05歐姆的電阻通過運算放大器將其放大再送人給AD轉換,最后可以控制32K hz的脈沖寬度來對電流進行控制,如果監測到的電流是50m a,則就可以自動斷開電路并啟動蜂鳴器報警提示用戶電池已經充滿電能。與此同時,充電器還具有6個A D轉換口,利用這六個A D轉換可以實時的監測6個電芯的電壓情況,在充電的過程中,如果某些電芯的內阻小則表現出來的現在就是電壓比其他電芯的電壓高。在相同的情況下,內阻大的電芯就是較充電時間就會比其他電芯快,這就是并行充電的理念即各個電芯的充電情況是同步的,但是各個電芯間的充電不會相互干擾。也就是說如果在第一片電芯達到4.2V的時候會自動的斷開該片電芯的充電電路,而沒有達到4.2 V的電芯還會繼續充電,這樣就可以盡最大的能力保護電芯。據各大數據分析知道,鋰電的內部活化因子在3.8—3.9V之間低溫環境下是最低的,這就意味著如果用戶在長時間不適用電池時,最好是能夠將電池的電壓為此在該區間內并保證低溫環境下。充電器可以直接通過啟動內部的風扇來達到這個統一放電的效果并能保持每一片電芯的電壓一致。放電完成后也會自動斷開電路并以蜂鳴器報警的方式告知用戶,此后用戶即可進入冷藏保護。

深圳充電器PCBA設計

四、智能充電器方案設計

基于單片機控制的智能充電器在設計上需要考慮各個元器件的實際功能性,以及搭配后的兼容性。因此在進行設計時,必須要先明確各部分元器件的實際功能,再加以組合應用。

智能充電器的電路主要由三個部分組成,分別是:(1)電源回路。(2)主控電路。(3)信號控制器。

其中電源回路能夠提供穩定的12V充電電壓以及14V充電電壓,以及充電工作時,電池所需要的不同電壓。主控電路能夠對充電的狀態進行有效控制,譬如對充電過程所進行的有效控制。信號控制能夠有效的保障充電安全。

五、充電控制技術

1、定時充電控制

此類控制方法十分簡單,主要實用范圍是恒流點充電法。既采用恒流電充電法,根據電池的充電情況以及具體的容量大小,確定電流所需的充電時間。具體充電過程中,在預訂充電萬仇,定期器可以發出信號,讓充電器能快速停止充電,或者可以轉移充電器讓其保持在浮充的維護狀態,這樣能避免電池充電時間過程出現的大電流長時間充電。定時充電的缺點:電池的容量在充電之前很難知道,所以充電過程中由于電池長時間運行造成發熱嚴重,能損壞電池的電量,并很難確定電池的充電時間。電池的充電時間在無法根據電池狀態進行調整的情況下,會出現電池組中的電池充電了不足,甚至很多電池會出現過充電的情況,所以這種充電方式只能適用于充電功率低于0.3C的恒流充電。

2、電池電壓控制

(1)最高電壓控制法:從充電特征的曲線中能了解到,電池電壓在達到最大值的時候,電池就能充足電,此刻需要快速的停止充電。適用該方法的缺點是,電池在電量充足的情況下隨著電壓環境的升高,溫度也會升高,充電的速率也會加快,適用此方法將很難判斷出電池是否已經充足電。

(2)電壓負增量:電池的電壓負增量與電池組的絕對電壓沒有太大的關聯,在不受到環境和穩定等因素影響的情況下,適用此方法能精準的判斷出電池是否充電完成。但是缺點則是;電池充足電之前,會出現局部電壓下降的情況,導致電池在沒能充足電之前,在檢測到電壓負增量后而停止快速充電。

六、控制電路的工作原理和設計實現

負反饋控制系統主要是以開關電源為主進行的控制,主要的控制環節中設計十分重要。本文主要對其動力電池的充電系統進行控制,具體的控制方法分別是內環控制、電壓外環控制和雙閉環控制這三種控制方式。

主電路在功率器件導通、斷開的時候,受到不同的電路拓撲影響,作為一個非線性的系統存在。工程設計過程中,需要根據狀態空間的平均法,得出低頻的等效電路模型,然后在此基礎上,根據現有的性能指標,設計出調節器。設計設計時,為能獲得更好的變換器動態和靜態效應,多習慣使用電壓或者電流進行負反饋的不同形式組合。

1、主控電路

主控電路由四大部分組成分別是:(1)電流控制回流。(2)充電電流和容量顯示電路。(3)檢測取樣電路。(4)報警電路。

開關電源在電路當中由于各種因素,非常容易出現故障。因此在選擇開關的型號和種類時便需要認真考慮,針對電路的實際情況進行選擇。

2、變壓器

在選用變壓器時,必須要使用高頻變壓器,這種變壓器的性能相對較好,但對磁性材料的使用有著較高的要求。變壓器對于能夠給予電路穩定的電壓輸出,使得電路在工作時能夠減少受到的電壓沖擊。

3、電容器

由于電源存在使用頻率不同的問題,對于高頻率使用的電源,對于普通電容器的損耗相當大,電感量也隨之增大。隨著頻率的不斷提高,衰減現象十分明顯,無法滿足正常的使用要求。因此在選用電容器時,需要針對電路的實際情況,決定是否選用專用電容器,以達到高頻和耐高溫的要求,使得電路能夠穩定運行。

4、單片機

當系統通電之后,單片機會對電源和充電器進行檢測。當電源與充電器均正常工作時,單片機會將檢測取樣向內部系統進行反饋,最終決定采用哪一種充電形式,已達到充電要求。PWM脈寬能夠有效的控制充電的全過程,使得涓流、大電流、過充和浮充都在控制當中。多檢測時發現電池的電壓已經高于單片機當中所設置的規定電壓,或者溫度超過預設溫度,便開啟浮充狀態,同時報警。

總結

利用單片機進行控制的智能充電器能夠有效的進行充電工作,同時還能夠有效的確保充電安全。智能充電器主要遵循了安全第一、效率優先、優化結構的設計理念,參考和查閱了各種充電器的設計方式并重新樹立了設計方案。該充電器已經經過實驗室的多次測試,并表明能夠滿足除了鋰電以外的其他電池的使用條件。出現相信能夠給社會帶來不一樣的享受,同時也會造福社會。

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