1、哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文電瓶儲能交直流穩(wěn)壓控制器的研究院 （系）：理學(xué)院專 業(yè)：光電子材料與器件學(xué) 號：2011115220學(xué) 生 姓 名：趙麗媛指 導(dǎo) 教 師：2015年 月摘 要順應(yīng)時代的大發(fā)展，電子科技不斷進步，人民對于其便攜性有了進一步的要求。然后電子商品攜帶性的最主要影響因素就是供能供電問題。鋰離子電池自從20世紀(jì)90年代上市后，它以能量密度高，使用壽命長等特點倍受重視，選擇鋰離子電池成為直流供電電源是潮流趨勢。因而作為直流供電電源的鋰離子電池，勢必要擔(dān)負(fù)起系統(tǒng)提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力保障。然而鋰離子電池極易受到過充電、深放電的危害，經(jīng)常工作在嚴(yán)重?fù)p耗的狀態(tài)下會使鋰離子電池壽命

2、急劇下降，以至于過早報廢。因此本課題設(shè)置了一整套控制電路，對鋰離子電池壽命有效延長，為整個系統(tǒng)提供的安全、高效率的監(jiān)測與保護。本課題主要設(shè)計三大模塊，并運用主控系統(tǒng)將三大模塊有效的緊密聯(lián)系起來。本文將在鋰離子電池基本原理與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，融入三個模塊的設(shè)計、原理與結(jié)構(gòu)，并且按照設(shè)計要求作出實驗體，完成調(diào)試，最終得出結(jié)論。關(guān)鍵字：鋰離子電池；保護電路；報警；顯示ABSTRACT With the development of times, electronic science and technology progress, the people have a further request fo

3、r its portability.Then the main influence factors of electronic goods portability is the energy supply problem.Lithium ion battery after appearing on the market since the 1990s, it with high energy density, long life and other characteristics of cherished, choice of lithium ion battery become a dc p

4、ower supply is trend.Thus as lithium ion battery of dc power supply, is bound to take on the system to provide safe, stable and reliable power supply. However, lithium ion batteries are highly susceptible to charge, the dangers of deep discharge, often working in the serious loss of state which can

5、make the lithium ion battery life fell sharply, even early to scrap.So this subject set up a complete set of control circuit of lithium ion battery life prolong, for the entire system to provide safe and high efficient monitoring and protection. This topic mainly design three modules, and effective

6、use of main control system will be the three module closely linked.In this paper, the basic principle and application in lithium ion battery, on the basis of integrated design, the principle and structure of three modules, and in accordance with the design requirements to experiment, to complete deb

7、ugging, finally come to the conclusion.Key words ：battery；protection circuit；alarm；display 第1章 緒論1.1 論文的背景與意義鋰離子電池由于具有電壓和能量密度高，循環(huán)壽命長，能量效率高，自放電小，無記憶效應(yīng)和無污染等優(yōu)點，成為目前最有前途和競爭力的二次電池。鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式消費電子產(chǎn)品，如MP3，智能手機，筆記本電腦，數(shù)碼相機，電動工具等。并且，隨著成本降低，壽命和可靠性等性能的進一步提高，鋰離子電池在電動汽車和能源存儲等應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角，有望在未來幾年超過消費電子產(chǎn)品成為其第一大應(yīng)用

8、領(lǐng)域。但是，鋰離子電池也受到諸多物理和化學(xué)因素的制約而在一些領(lǐng)域不能發(fā)揮它的優(yōu)勢。從目前的研究報道來看，過充電，內(nèi)外部短路，擠壓，振動，碰撞和過熱等因素均可能誘發(fā)鋰離子電池發(fā)生不安全行為。過充是鋰離子電池在使用過程中可能碰到的安全問題之一，尤其是在鋰離子電池組工作的過程中。目前鋰離子電池的過充保護方法主要有物理方法和化學(xué)方法。物理方法主要是通過引入PTC元件，使用外部監(jiān)測裝置或采用安全閥等。化學(xué)方法主要是從電池的內(nèi)部材料進行改進。鋰離子電池采用有機溶液電解質(zhì)，當(dāng)電池處于過充狀態(tài)時，有機溶劑容易在正極表面產(chǎn)生不可逆的氧化分解，在放出大量熱量的同時伴隨著大量可燃性氣體的產(chǎn)生，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度及壓力

9、急劇上升，從而給電池帶來爆炸，燃燒的危險。另一方面，鋰離子電池內(nèi)部自身存在一系列潛在的放熱反應(yīng)，當(dāng)電池在使用過程中因各種原因內(nèi)外部短路而引起內(nèi)部溫升較大時，容易被引發(fā)。如當(dāng)電池內(nèi)部溫度上升至120以上時，碳陽極表面鈍化膜將發(fā)生分解，裸露在電解液中的高活性嵌鋰碳電極隨之與有機溶劑發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)，導(dǎo)致溫度進一步上升，并逐步引發(fā)電解質(zhì)鹽和陰極材料的分解，以及嵌鋰碳電極與黏結(jié)劑之間的劇烈放熱反應(yīng)等，從而導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀l(fā)生爆炸。由于目前廣泛使用的電解液溶劑體系均為低閃點的有機碳酸酯類，在電池發(fā)生爆炸，往往伴隨著劇烈的燃燒，加重了安全性事故的危害程度。因此，對鋰離子電池安全性的提高，對擴大鋰離子電池的

10、商品化程度，保證使用過程中人員的安全是非常重要的。本研究課題主要是利用外部監(jiān)測裝置這一物理方法來對鋰離子電池的充放電過程進行監(jiān)測和保護，實現(xiàn)鋰離子電池工作時的電壓測量和顯示功能，并使其輸出220V的交流電壓。1.2 國內(nèi)外發(fā)展以及研究現(xiàn)狀鋰離子電池的安全性能一直是人們關(guān)注的焦點,為此制定了很多電池安全性能規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。鋰離子電池的安全性，尤其是過充試驗和熱穩(wěn)定性最讓人感興趣。科研人員對鋰離子電池的短路、過充、高溫性能等設(shè)計了一些試驗方案，希望能從理論上分析鋰離子電池的安全性能及其影響因素。1991年，英國電信部門對正在使用的VRLA電池進行了檢查和測試，發(fā)現(xiàn)VRLA電池并不象廠商宣傳的那樣，電池

11、出現(xiàn)了熱失控、燃燒和早期容量失效等現(xiàn)象，這引起了電池工業(yè)界的廣泛討論，并對VRLA電池的發(fā)展前途、容量檢測技術(shù)、熱失控好人可靠性表示了疑問，此時，VRLA電池市場占有率還不到富液式電池的50%，原來提到的“密封免維護鉛酸電池”名稱正式被“VRLA電池”取代，原因是VRLA電池是一種還需要管理的電池，采用“免維護”容易引起誤解。1992年，針對1991年提出的問題，電池專家和生產(chǎn)廠家的技術(shù)員紛紛發(fā)表文章提出對策和看法，其中DrDaridFeder提出利用測電導(dǎo)的方法對VRLA電池進行監(jiān)測。I.c.Bearinger從技術(shù)方面評述VRLA電磁的先進性。這些文章對VRLA電池的發(fā)展和推廣應(yīng)用起了很大

12、的促進作用。1994年， USA的P.Dan等對AA型Li/LixMnO2電池進行了短路研究,他發(fā)現(xiàn)在短路幾秒鐘后,電池溫度迅速增加。1999年，K.Kitoh等對100 Wh的大電池進行了試驗,他們在試驗中用外接電阻的方法進行短路。當(dāng)外接電阻小于電池內(nèi)阻(電池內(nèi)阻平均為5 m)即外接電阻為0.2 m時,電池內(nèi)部的電流保險絲很快切斷電流,電池溫度升高不多,安全氣閥也沒有打開。當(dāng)外接電阻基本等于電池內(nèi)阻即外接電阻為6 m時,電池的溫度達到120，80 s以后安全氣閥打開，電解液蒸汽從氣孔處輕微逸出，10 min以后電壓和電流都降為0，電池不能充電。當(dāng)外接電阻約為內(nèi)阻的兩倍即外接電阻為11 m時,

13、電池充放電正常,電池的最高溫度低于100。2000年，S.Passerini等對電池外接0.1小電阻進行試驗，測試開始時，電流約為850 mA，但5 min后降至50 mA，試驗開始后幾秒內(nèi)溫度升至38 ,但很快降至室溫。2001年，A.L.Randolph等用1 500 mAh的方形電池研究過充歷程。在試驗中,以1C恒流充至12 V，當(dāng)95%的鋰從正極脫出時，電壓達到5.5 V，隨后迅速增至限制電壓。在試驗中，絕大部分時間電池的外部溫度很低,唯有最后階段,溫度突然快速增至103且炸裂。2001年，K.N.Han等對6 Ah電池用1C充電2.5 h,充到電池能力的105%150%時電池爆炸。他

14、們的試驗都說明高倍率充電到一定程度電池會爆炸。2005年，北京有色金屬研究總院的龐靜等人以尖晶石錳酸鋰作鋰離子電池正極材料，研究其過充電特性及影響因素。結(jié)果表明，電池1C過充特性和正極活性物質(zhì)的量有關(guān)，與負(fù)極活性物質(zhì)的量無關(guān)。充電倍率是影響電池過充特性的關(guān)鍵因素，低倍率過充時,結(jié)束電池過充的主要原因是內(nèi)部電解液分解殆盡;高倍率過充時，因電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量增加，散熱相對滯后，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高隔膜熔斷從而截斷回路結(jié)束過充。2011年，王小雙等人介紹了一種應(yīng)用推挽式電路設(shè)計的單相300W，50Hz的逆變電源，給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，并詳細(xì)闡述了逆變電源的功率主電路，PWM控制電路，保護電路和故障

15、顯示及報警電路的設(shè)計方法。試驗結(jié)果表明，該逆變電源設(shè)計合理，可靠性高，并在小型化，提高功率密度和可靠性方面，取得了很好的效果。1.3 論文要求及所做工作1.3.1 電源保護電路的設(shè)計 由于鋰離子電池的化學(xué)特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后，會嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進行有效監(jiān)測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。1.3.2 升壓模塊的設(shè)計在鋰離子電池充電達到過充狀態(tài)時，主控系統(tǒng)將驅(qū)動放電電路進行放