1、哈爾濱工程大學本科生畢業論文電瓶儲能交直流穩壓控制器的研究院 （系）：理學院專 業：光電子材料與器件學 號：2011115220學 生 姓 名：趙麗媛指 導 教 師：2015年 月摘 要順應時代的大發展，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，勢必要擔負起系統提供安全、穩定、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，經常工作在嚴重損耗的狀態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，為整個系統提供的安全、高效率的監測與保護。本課題主要設計三大模塊，并運用主控系統將三大模塊有效的緊密聯系起來。本文將在鋰離子電池基本原理與應用的基礎上，融入三個模塊的設計、原理與結構，并且按照設計要求作出實驗體，完成調試，最終得出結論。關鍵字：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，循環壽命長，能量效率高，自放電小，無記憶效應和無污染等優點，成為目前最有前途和競爭力的二次電池。鋰離子電池已經廣泛應用于便攜式消費電子產品，如MP3，智能手機，筆記本電腦，數碼相機，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用領域已經嶄露頭角，有望在未來幾年超過消費電子產品成為其第一大應用

8、領域。但是，鋰離子電池也受到諸多物理和化學因素的制約而在一些領域不能發揮它的優勢。從目前的研究報道來看，過充電，內外部短路，擠壓，振動，碰撞和過熱等因素均可能誘發鋰離子電池發生不安全行為。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方法。物理方法主要是通過引入PTC元件，使用外部監測裝置或采用安全閥等。化學方法主要是從電池的內部材料進行改進。鋰離子電池采用有機溶液電解質，當電池處于過充狀態時，有機溶劑容易在正極表面產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生，導致電池內部溫度及壓力

9、急劇上升，從而給電池帶來爆炸，燃燒的危險。另一方面，鋰離子電池內部自身存在一系列潛在的放熱反應，當電池在使用過程中因各種原因內外部短路而引起內部溫升較大時，容易被引發。如當電池內部溫度上升至120以上時，碳陽極表面鈍化膜將發生分解，裸露在電解液中的高活性嵌鋰碳電極隨之與有機溶劑發生劇烈放熱反應，導致溫度進一步上升，并逐步引發電解質鹽和陰極材料的分解，以及嵌鋰碳電極與黏結劑之間的劇烈放熱反應等，從而導致電池熱失控，發生爆炸。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測和保護，實現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 國內外發展以及研究現狀鋰離子電池的安全性能一直是人們關注的焦點,為此制定了很多電池安全性能規范與標準。鋰離子電池的安全性，尤其是過充試驗和熱穩定性最讓人感興趣。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，發現VRLA電池并不象廠商宣傳的那樣，電池

11、出現了熱失控、燃燒和早期容量失效等現象，這引起了電池工業界的廣泛討論，并對VRLA電池的發展前途、容量檢測技術、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，電池專家和生產廠家的技術員紛紛發表文章提出對策和看法，其中DrDaridFeder提出利用測電導的方法對VRLA電池進行監測。I.c.Bearinger從技術方面評述VRLA電磁的先進性。這些文章對VRLA電池的發展和推廣應用起了很大

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,他發現在短路幾秒鐘后,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。當外接電阻小于電池內阻(電池內阻平均為5 m)即外接電阻為0.2 m時,電池內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。當外接電阻基本等于電池內阻即外接電阻為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。當外接電阻約為內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。結果表明，電池1C過充特性和正極活性物質的量有關，與負極活性物質的量無關。充電倍率是影響電池過充特性的關鍵因素，低倍率過充時,結束電池過充的主要原因是內部電解液分解殆盡;高倍率過充時，因電池內部產生的熱量增加，散熱相對滯后，導致電池內部溫度升高隔膜熔斷從而截斷回路結束過充。2011年，王小雙等人介紹了一種應用推挽式電路設計的單相300W，50Hz的逆變電源，給出了系統的結構原理圖，并詳細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計方法。試驗結果表明，該逆變電源設計合理，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 電源保護電路的設計 由于鋰離子電池的化學特性，在正常使用過程中，其內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內部發生化學副反應,該副反應加劇后，會嚴重影響電池的性能與使用壽命，并可能產生大量氣體，使電池內部壓力迅速增大后爆炸而導致安全問題，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、放電狀態進行有效監測，并在某些條件下關斷充、放電回路以防止對電池發生損害。1.3.2 升壓模塊的設計在鋰離子電池充電達到過充狀態時，主控系統將驅動放電電路進行放