【正文】 1 緒論 引言 鋰離子電池是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來(lái)的一種新型儲(chǔ)能電池。由于其具有高能量、壽命長(zhǎng)、低能耗、無(wú)公害、無(wú)記憶效應(yīng)以及自放電小、內(nèi)阻小、性?xún)r(jià)比高、污染少等優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池在逐步應(yīng)用中顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能、航天等領(lǐng)域[1]。目前使用的各類(lèi)電池中，鋰離子電池(也稱(chēng)鋰離子二次電池或鋰離子蓄電池)是近十幾年才發(fā)展起來(lái)的一種新型電源。自20世紀(jì)90年代初日本索尼能源開(kāi)發(fā)公司和加拿大莫里能源公司研制鋰離子電池獲得成功以來(lái)，一直是世界各國(guó)競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)[2]。在第215屆電化學(xué)會(huì)議中，新型電極材料仍是鋰離子電池的研究熱點(diǎn)之一，與傳統(tǒng)正極材料LiMn20LiCoOLiMnPO4相比，LiFePO4正極材料所特有的安全性能引起了人們的重視。其中粘結(jié)劑作為非導(dǎo)電的活性材料在鋰離子電池中的重要性開(kāi)始逐漸被認(rèn)識(shí)和接受。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究了電極循環(huán)性能與電極片機(jī)械能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)電極的機(jī)械能與長(zhǎng)期循環(huán)性能的關(guān)系密切，電極的損壞，特別是碳負(fù)極的損壞主要源于極片力學(xué)性能的下降，指出電極材料并不是決定電極性能的唯一因素，粘結(jié)劑的性能和極片的制備方法、工藝也是必須考慮的[3]。近年來(lái)，許多研究者不再局限于對(duì)某一材料的制備與優(yōu)化，開(kāi)始著眼于整個(gè)系統(tǒng)的匹配，優(yōu)化電極片和制備方法，瞄準(zhǔn)動(dòng)力汽車(chē)的需求設(shè)計(jì)高能量電池和高功率電池，分析電池衰退的原因，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足動(dòng)力電池需要的3000至5000次循環(huán)壽命的長(zhǎng)壽命鋰離子電池[4]。涉及鋰離子電池的研究?jī)?nèi)容和手段不斷的豐富，對(duì)于鋰離子電池制備工藝的提高也有很大的促進(jìn)與提高。以上所述介紹了鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)鋰離子電池對(duì)發(fā)展與能源密切相關(guān)的的各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)具有非常意義，而且通過(guò)本課題的研究為我增加了很多聚合物鋰電池的知識(shí)。電池運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)檢測(cè)電池的電壓、電流、溫度等同電池性能密切相關(guān)的參數(shù)與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，得出當(dāng)前電池的運(yùn)行狀態(tài)信息，然后通過(guò)分析處理并和預(yù)先設(shè)定的電池性能判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而診斷出電池的當(dāng)前的健康狀態(tài)是否良好[5]。本文設(shè)計(jì)的電池環(huán)境試驗(yàn)電量監(jiān)測(cè)記錄儀是以MSP430FG4618單片機(jī)作為控制器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣電池電壓，依據(jù)每個(gè)電池特性及時(shí)斷開(kāi)放電電路并記錄存儲(chǔ)放電過(guò)程中的電池電壓，并通過(guò)電壓、電量之間的運(yùn)算關(guān)系，最終計(jì)算出鋰離子電池的電量。 本課題研究的目的和內(nèi)容電池是目前人們生活中一種使用最頻繁的后備電源，而且隨著我國(guó)電力、通訊行業(yè)快速發(fā)展以及人們對(duì)電池維護(hù)工作的越來(lái)越重視，因此對(duì)電池監(jiān)測(cè)儀器的市場(chǎng)需求也越來(lái)越大。而目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)控儀器由于監(jiān)測(cè)方法及電池失效模式判據(jù)不當(dāng)?shù)南拗?，使其性能不能完全滿(mǎn)足對(duì)電池監(jiān)控的需要,而國(guó)外的同類(lèi)儀器雖然性能較高，但價(jià)格昂貴,不適合一般用戶(hù)使用[6]。微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展和電池監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的不斷完善，為提高電池監(jiān)測(cè)儀器的整體性能和降低系統(tǒng)成本提供了可能。研究開(kāi)發(fā)具有巡檢速度快、性能更加完善可靠、性能價(jià)格比高的電池智能監(jiān)測(cè)儀器是電池監(jiān)測(cè)裝置的必然趨勢(shì)和發(fā)展方向[7]。本課題研究的是如何設(shè)計(jì)基于MSP430FG4618的電池電量監(jiān)測(cè)記錄儀，通過(guò)所檢測(cè)出來(lái)的電壓數(shù)據(jù)采集結(jié)束后將所測(cè)試到的數(shù)據(jù)送到FLASH里，等待到發(fā)數(shù)命令后將FLASH里的數(shù)據(jù)通過(guò)串行方式讀入計(jì)算機(jī)。然后在對(duì)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行計(jì)算并求出電流，最終求出電量。 電池電量記錄儀的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 電池電量記錄儀的研究現(xiàn)狀(1)隨著科技的進(jìn)步，筆記本電腦微型計(jì)算機(jī)，數(shù)字照相機(jī)，移動(dòng)電話(huà)，醫(yī)療器械以及近地軌道的地球衛(wèi)星和高軌道同步衛(wèi)星等新型電子儀器設(shè)備的發(fā)展，對(duì)電池產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求。成本低，高能量密度，高電壓，輕型化，使用溫度寬（37℃～60℃），且循環(huán)壽命長(zhǎng)，安全性能好的全新的綠色電源成為人們研究的熱點(diǎn)，而鋰離子二次電池成為市場(chǎng)前景最光明，發(fā)展最快的新型電池能源[8]。 (2)日本是名副其實(shí)的鋰離子電池研究的中心。日本鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)研究協(xié)會(huì)自助了將近一億兩千萬(wàn)美院，并為此指定了詳細(xì)的新陽(yáng)光計(jì)劃。直至1995年，全球鋰離子電池為日本獨(dú)家生產(chǎn)而且產(chǎn)品份額基本上為日本壟斷的局面難以打破?，F(xiàn)在美國(guó)、韓國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、加拿大、中國(guó)等國(guó)重點(diǎn)發(fā)展了鋰離子電池，這些非日本電池企業(yè)的發(fā)展已經(jīng)開(kāi)始對(duì)日本鋰離子電池的生產(chǎn)和應(yīng)用市場(chǎng)產(chǎn)生影響[9]。 (3)我國(guó)從70年代中期開(kāi)始研制鋰二次電池[10]，較早開(kāi)展此項(xiàng)研究的單位有天津電源研究所和北京有色金屬研究總院、廈門(mén)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、武漢大學(xué)等[8]。 (4)隨著二次電池的快速發(fā)展，以嵌鋰化合物作為正負(fù)極材料的新型高能量綠色電池，鋰離子電池以其獨(dú)特的優(yōu)越性獲得廣泛的應(yīng)用。相比其它傳統(tǒng)的水溶液二次電池，鋰離子電池具有單體電池工作電壓高、質(zhì)量比能量高、體積比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低、工作溫度范圍寬、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[11]。目前我國(guó)對(duì)于監(jiān)測(cè)儀的發(fā)展主要做了如下的技術(shù)努力[12]： (1)應(yīng)用單片微機(jī)，提高儀表的可靠性、靈活性和分析能力，利用單片微機(jī)作為CPU，其產(chǎn)品售價(jià)也大大降低。 (2)具備了打印功能，擴(kuò)展了諸如典型日參數(shù)統(tǒng)計(jì)、越限報(bào)警等功能。 (3)數(shù)據(jù)處理能力的加強(qiáng)。誕生了儀表附加卡式記錄，用卡內(nèi)E2 PROM對(duì)各個(gè)電壓值進(jìn)行記錄，以便于插入專(zhuān)用轉(zhuǎn)換座后由PC機(jī)進(jìn)行輔助分析統(tǒng)計(jì)、存盤(pán)。 (4)注意可靠性的設(shè)計(jì)：?普遍增設(shè)后備電源，便于儀表失電時(shí)對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的保護(hù)及系統(tǒng)日歷鐘運(yùn)行。②采用全CMOS電路，既降低功耗，又提高噪聲容限。(5)結(jié)構(gòu)上作進(jìn)一步改進(jìn)，出現(xiàn)了槽裝式、掛裝式、便攜式等多種結(jié)構(gòu)的儀表，以適應(yīng)不同用戶(hù)的需要。 電池電量記錄儀的發(fā)展趨勢(shì)電量記錄儀的電壓監(jiān)測(cè)發(fā)展方向：(1)操作要“傻瓜”型，維護(hù)要方便型。任何儀表能否推廣成功，設(shè)計(jì)是重要因素。要使操作人員能夠直觀(guān)地操作，不至于由于操作不當(dāng)而造成儀表?yè)p壞，系統(tǒng)停機(jī)；要讓維護(hù)人員容易實(shí)現(xiàn)定期校驗(yàn)、維護(hù)[14]。這應(yīng)從以下幾個(gè)方面努力：①采用應(yīng)答式操作方式，按鍵即能直接顯示對(duì)應(yīng)參數(shù),按鍵出錯(cuò)，能夠自動(dòng)顯示出錯(cuò)信息，釋放鍵即能恢復(fù)正常顯示；②表內(nèi)采用插板式結(jié)構(gòu)，便于維修和更換；③完善設(shè)計(jì)，采用新穎高可靠開(kāi)關(guān)部件，軟件配以自診斷功能。(2)提供升等的條件。如更換EPROM或少量芯片即能實(shí)現(xiàn)儀表升等以便于擴(kuò)展功能和統(tǒng)計(jì)內(nèi)容，延長(zhǎng)儀表使用壽命。對(duì)110KV及以上等級(jí)的母線(xiàn)電壓監(jiān)測(cè)，需要五位數(shù)顯示的電量監(jiān)測(cè)儀，儀表的分辨力亦要提高，可以采用高檔的單片微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)[15]。(3)功能可擴(kuò)展。充分應(yīng)用軟件技術(shù)使儀表具備更多的功能供用戶(hù)選擇，如可以選擇讀出當(dāng)月中任意一天的各整點(diǎn)電壓及統(tǒng)計(jì)參數(shù)值，以適應(yīng)不同用戶(hù)對(duì)電壓監(jiān)測(cè)、分析統(tǒng)計(jì)的要求。 鋰電池電量計(jì)算方法(1)內(nèi)阻法:研究表明，電池的內(nèi)阻與荷電程度之間有較高的相關(guān)性，通過(guò)測(cè)量電池內(nèi)阻可測(cè)量電量[16]。(2)電壓法:基于電池電壓和剩余電量之間存在的某種已知關(guān)系。它看似直接，但卻存在難點(diǎn)：在測(cè)量期間，只有在不施加任何負(fù)載的情況下，才存在這種電池電壓與電量之間的簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)。當(dāng)施加負(fù)載時(shí)，電池電壓就會(huì)因?yàn)殡姵貎?nèi)部阻抗所引起的壓降而產(chǎn)生失真[17]。 鋰電池放電特性 鋰離子電池概括鋰離子電池，俗稱(chēng)“鋰電”，是目前綜合性能最好的電池。鋰離子電池負(fù)極是碳素材料，如石墨。正極是含鋰的過(guò)渡金屬氧化物，如LiMn2O4。電解質(zhì)是含鋰鹽的有機(jī)溶液。通常鋰離子電池并不含金屬鋰。由于鋰離子電池不含任何貴重金屬，原材料很便宜，降價(jià)空間大。同時(shí)，與傳統(tǒng)的電池相比，鋰離子電池具有突出的優(yōu)點(diǎn)： (1) 工作電壓高：鋰離子電池的工作電壓為3．7V，是鎳鎘和鎳氫電池工作電壓的三倍。在許多小型電子產(chǎn)品上，一節(jié)電池即可滿(mǎn)足使用要求。 (2) 比能量高：鋰離子電池比能量目前已達(dá)140Wh／kg，是鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1．5倍。 (3) 循環(huán)壽命長(zhǎng)：目前鋰離子電池循環(huán)壽命已達(dá)1000次以上，在低放電深度下可達(dá)幾萬(wàn)次，超過(guò)了其它幾種二次電池。 (4) 自放電?。轰囯x子電池盤(pán)放電率僅為6％～8％，遠(yuǎn)低于鎳鎘電池(25％～30％)及鎳氫電池(30％～40％)。 (5) 薄型，輕量，無(wú)記憶效應(yīng)(它可以根據(jù)要求隨時(shí)充放電，而不會(huì)降低電池性能)。由于具備以上優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池在作為新型電池在某些領(lǐng)域正在逐步取代傳統(tǒng)的可充電電池。主要應(yīng)用于掌上計(jì)算機(jī)、PDA、通信設(shè)備、照相機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、魚(yú)雷、儀器等。 鋰電池放電特性一般稱(chēng)放電時(shí)電池端電壓隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)叫做電池的放電特性曲線(xiàn)，鋰電池在不同的放電電流下有不同的放電特性，其特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖. 由圖可以看出，在開(kāi)始放電時(shí)，鋰電池的電壓下降比較劇烈，然后進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定期，在穩(wěn)定期電壓下降很不明顯，當(dāng)電量接近放完時(shí)，又有一個(gè)劇烈的電壓下降，如果此時(shí)繼續(xù)放電，則會(huì)毀損電池；如果放電電流過(guò)大則放電時(shí)間非常短，電壓急劇下降，電池溫度急劇升高，電池則將無(wú)法正常工作；，再繼續(xù)放電，將導(dǎo)致電池永久性損壞[18]。： 不同放電電流放電時(shí)間與電壓曲線(xiàn)2 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì) 研究對(duì)象 本文主要研究的是聚合物鋰離子電池的電壓、電流同電池性能密切相關(guān)的參數(shù)的變化而產(chǎn)生的相應(yīng)變化情況。隨著二十世紀(jì)微電子技術(shù)的發(fā)展，小型化的設(shè)備日益，對(duì)電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進(jìn)入了大規(guī)模的實(shí)用階段。最早得以應(yīng)用于心臟起博器中。由于鋰電池的自放電率極低，放電電壓平緩，使得起搏器植入人體長(zhǎng)期使用成為可能。，更適合作集成電路電源。二氧化錳電池就廣泛用于計(jì)算機(jī)、計(jì)算器、照相機(jī)、手表中?，F(xiàn)在，鋰電池大量應(yīng)用在手機(jī)上，可以說(shuō)是最大的應(yīng)用群體。由于鋰電池的特性，如微型攝像機(jī)、照相機(jī)等各種數(shù)碼產(chǎn)品均使用鋰離子電池。目前開(kāi)發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動(dòng)汽車(chē)中開(kāi)始試用，預(yù)計(jì)將成為21世紀(jì)電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿﹄娫粗唬⒃谌嗽煨l(wèi)星、航空航天和儲(chǔ)能方面得到應(yīng)用。隨著能源的緊缺和世界環(huán)保方面的壓力。鋰電池現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)行業(yè)，特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現(xiàn)，更推動(dòng)了鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用[19]。隨著溫度等外部環(huán)境的變化，電池的電壓會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，對(duì)使用電池的電子設(shè)備就會(huì)產(chǎn)生一定的損害，因此研究電池電壓的變化規(guī)律對(duì)使用電池的設(shè)備有著重要的意義。 設(shè)計(jì)方案的確定 總體設(shè)計(jì)方案 本文的設(shè)計(jì)是基于MSP430FG4618實(shí)現(xiàn)的電池電壓的監(jiān)測(cè)記錄，電池電壓的采樣是通過(guò)軟件的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且通過(guò)所監(jiān)測(cè)出的電壓在上位機(jī)上通過(guò)公式運(yùn)算最終得出電量。：電池放電單元主計(jì)算機(jī)RES232接口電壓采集裝置 總體流程圖對(duì)鋰電池電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，將電模擬信號(hào)導(dǎo)入一個(gè)十六路模擬開(kāi)關(guān)，讀入單片機(jī)具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的I/O口。利用MSP430FG4618單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，判斷這些數(shù)據(jù)是否在鋰離子電池放電允許范圍之內(nèi)，單片機(jī)比較判斷并對(duì)相應(yīng)電路作出控制以后將有效數(shù)據(jù)存入FLASH。通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。 電壓采集裝置電壓采集裝置是整個(gè)電量記錄儀的重點(diǎn)，只有將電池的電壓順利的采集送入單片機(jī)，使它經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在FLASH中，然后通過(guò)異步串口傳送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，才能對(duì)電池電壓的變化情況進(jìn)行分析。： 放電電阻網(wǎng)絡(luò) . . . . . ........調(diào)理電路單片機(jī)16路模擬開(kāi)關(guān) 電壓采集裝置流程圖，將滿(mǎn)量程的電池放入電壓監(jiān)測(cè)裝置中并使用電阻放電，導(dǎo)入一個(gè)16路的模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)切換電壓信號(hào)的作用，然后連接調(diào)理電路進(jìn)行降壓處理，將已經(jīng)過(guò)降壓處理的電壓讀入單片機(jī)具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的I/O口，最后把AD轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的FLASH中。 通信電路本設(shè)計(jì)的通信電路能過(guò)RS232接口來(lái)完成，：RS232接口計(jì)算機(jī)裝置 RS232接口流程圖上下位機(jī)通過(guò)RS232接口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與主計(jì)算機(jī)的異步通信。串口進(jìn)入傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)從單片機(jī)閃存內(nèi)讀取數(shù)據(jù), 依次送入主計(jì)算機(jī),在計(jì)算機(jī)中通過(guò)串口助手對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。 設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的功能 本設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能為：對(duì)8路電池的電壓進(jìn)