（控制理论与控制工程专业论文）锂电池隔膜关断性能测试系统的研究与设计.pdf

西安建筑科技大学硕二i = 论文 锂电池隔膜关断性能测试系统的研究与设计 专业：控制理论与控制工程 硕士生：成林 指导老师：席爱民教授 摘要 近几年，随着消费和移动等l r l 、领域终端产品的强势增长，锂离子可充电电池目 前已成为手机、笔记本、p d a 等移动消费电子的标准配置电源。锂电池的应用会越 来越广泛，所以优良的锂电池的生产是科技飞跃的保障。 在锂电池的生产过程中，对锂电池隔膜进行检测是非常重要的环节。生产出来 的锂电池隔膜是否合格只有通过检测锂电池隔膜关断特性来判定。这个测试系统的 原理就是模拟锂电池的真实环境，然后用加热的办法来检测锂电池隔膜的关断特性， 即检测它的电阻随温度变化的趋势。随着控制温度的变化，采集当前的温度和锂电 池隔膜的r 巳阻数据；同时将数据通过总线传输到上位机，由上位机来决定其他生产 设备环节的参数。 论文主要论述在整个锂电池隔膜生产过程中，锂电池隔膜电阻的检测方法，测 试系统的设计、研制及调试。主要硬件选用了嵌入式芯片l p c 2 2 1 0 ，并将基本电路 分为七块进行研究和设计。然后对检测环境进行了研究和设计，通过调制p w m 脉 冲控制温度的变化：研究温度模糊控制的算法并对温度控制进行仿真。最后对现场 总线选型并对接口电路进行研究和设计，系统中选用了p r o f i b u sd p ：并对基于从 站咖汉芯片d p c 3 ) 总线接口的软硬件部分进行研究和设计。 关键字：锂电池隔膜关断性能：微控制器：p w m ；模糊控制：现场总线；协议芯片 西安建筑科技大学硕：卜论文 s t u d y a n dd e s i g no nt e s t i n gs y s t e mf o rt h et u r n o f fp r o p e r t y o fs e p a r a t o r sf o rl i t h i u mb a t t e r i e s s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g a u t h o r ：c h e n gl i n s u p e r v i s o r ：p r o f x ia i m i n a b s t r a c t i nt h e s ed a y s ，a l o n gw i t ht h es t r o n g l y i n c r e a s i n go ft h ek i n g d o mo f1 t st e r m i n a l p r o d u c t s ，j u s tl i k ec o n s u m p t i o na n dm o b i l et e l e p h o n e ，t h el i t h i u mb a t t e r yi sb e c o m i n gt h e s t a n d a r ds c h e m eo fm o b i l ep r o d u c t ss u c ha sm o b i l et e l e p h o n e ，n o t e b o o kp ca n dp d a t h eu s eo fl i t h i u mb a t t e r i e sw i l lb em o r ee x t e n s i v e s ot h ep r o d u c t i o no ft h ee x c e l l e n t l i t h i u mb a t t e r yi st h eg u a r a n t e eo f t h ef l i g h to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h ep r o c e s so ft h ep r o d u c t i o no fl i t h i u mb a t t e r i e s ，t h ec h e c k i n go fs e p a r a t o r sf o r l i t h i u mb a t t e r i e si sav e r yi m p o r t a n tt a c h e w h e t h e rs e p a r a t o r sf o rl i t h i u mb a t t e r i e sa r e e l i g i b l ei so n l yt e s t e db yt h et e s to ft h et u m - o f fp r o p e r t yo fs e p a r a t o r sf o rl i t h i u mb a t t e r i e s t h ee l e m e n to ft h ec h e c k i n gs y s t e mi s s i m u l a t i n gt h et r u ec o n d i t i o no fl i t h i u mb a t t e r i e s ， c h e c k i n gt h et u r n o f fp r o p e r t yo fs e p a r a t o r sf o rl i t h i u mb a t t e r i e sb yt h ec a l e f a c t i v ew a y i t s e s s e n c ei s c h e c k i n gh o wt h es e p a r a t o r sr e s i s t a n c ec h a n g e sw i t ht h et e m p e r a t u r e w e c o n t r o lt h ec h a n g i n gt e m p e r a t u r e ，a tt h es a m et i m ec o l l e c t ，a n ds e n dt h et e m p e r a t u r ea n d t h ev a l u eo ft h er e s i s t a n c et ot h eu p p e rc o m p u t e rb yf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m a n dt h e nt h e u p p e rc o m p u t e rd e c i d e st h ep a r a m e t e ro ft h eo t h e rm a c h i n e s t h ep a p e rm o s t l ys t u d i e st h ew a yo fc h e c k i n gt h et u r n o f fp r o p e r t yo fs e p a r a t o r sf o r l i t h i u mb a t t e r i e sa n dt h ew a yo fd e s i g n i n g ，d e v e l o p i n ga n dt e s t i n gi nt h et e s t i n gs y e t e m ， w h e ns e p a r a t o r sf o rl i t h i u mb a t t e r i e sa r ep r o d u c t i n g i nt h i sp a r t1c h o s et h et y p eo ft h e e m b e d d e dc h i pl p c 2 210 ，s t u d ya n dd e s i g nt h eb a s i cc i r c u i t r yw h i c hi sd i v i d e di n t os e v e n p a r t s t h e n1s t u d ya n dd e s i g nt h et e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n to ft h ec h e c k i n g i nt h i sp a r ti c o n t r o lt h ec h a n g e dt e m p e r a t u r eb ym o d u l a t i n gt h ep w mp u l s e ，a n dt h e n1 s t u d yt h e t e m p e r a t u r ef u z z yc o n t r o la n ds i m u l a t i n gt h es y s t e ma tl a s tls t u d ya n dd e s i g nt h ei n t e r f a c e o ft h ef i e l d b u sc o n t r o l l i n gs y s t e m i nt h i s p a r t ii n t r o d u c ea n dc h o s et h ef i e l d b u s p r o f i b u s - d p ：t h e n1s t u d yt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ef i e l d b u s i n t e r f a c ew h i c hi s b a s e do nt h ep r o t o c 0 1c h i pd p c 31u s e di nt h es e c o n d a r ys t a t i o n k e y w o r d s ：t h et u r n o f fp r o p e r t yo fs e p a r a t o r sf o rl i t h i u mb a t t e r i e s ；m c u ；p w m f u z z yc o n t r o l ；t h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ；p r o t o c o lc h i p 声明 本人郑重声明我所呈变的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文巾不包台 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请 学位或为其他用途使用过的成果。与我一吲t 作的同志对本研究所做的所有贡献 均己在论文中做了明确的说明并表示r 致谢。 中清学位论文与资料若有不实之处，奉人承担一切相关责任。 论文作者签名：前妄名l h 期：。6 、6 ，。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有天保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可蛆公布论文的全部 内容和部分内容，可以采用影印、缩 | j 或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密厉应遵守此规定) 论文作者签名：访爻杖 导师签名 注：请将此页附在论文首页。 庠蓑氏 日期：b6 j 6 ，d 西安建筑科技大学硕士论文 第1 章绪论 1 1引言 本课题是以西安高新开发区某公司的锂电池隔膜生产线项目为平台，该项目总 投资为3 0 0 多万元。该项目的研发及生产线的选型、安装、调试，历时将近两年， 现已少量生产出了较高质量的锂电池隔膜。图1 1 为该生产线生产出来的锂电池隔膜 在高倍放大镜下的图像。上面布满了孔径不等的微孔，这些微孔是锂电池正负两极 离子运动的通道，且这些微孔的孔径大小值随着温度的变化而改变。本课题的目的 就是要检测拉伸出来的隔膜是否合乎锂电池的要求，其实质是检测7 l 径的大小，实 际反映出来的却是电阻、厚度等参数的不同。因为锂电池在实际生产和应用中有爆 炸的危险性，所以它对隔膜的要求很高。因此本课题的研究在整个生产线中起着非 常重要的作用。 本项目特邀请北京东皋膜有限公司总经理、膜方面专家李鑫高级工程师作为项 目技术经理，进行研发和生产线组装与调试。本课题方面，本人在李鑫老师和导师 席爱民老师的精心指导下也顺利地完成了部分测试系统的研究和设计。 图1 1 高倍放大镜下锂电池隔膜图像 西安建筑科技大学硕二l ：论文 1 1 1 近年国内外锂电池行业的发展 近年来，l ： i l 于移动通信与便携式电子产l 锗的蓬勃发展，人们对电池的质量f - - 1 益 重视，其中，小型充电电池尤其受到消费者的青睐，因而带动起充电电池产业投资 的一股热潮。据统汁，全球小型充电电池的年产值约为一百亿美元，其中主流的锂 电池产品更是占到- - _ - , i s 以上。曰前锂电池已经进入千家万户，使用量非常大。大部 分便携式的电子产品都是靠它提供能量。例如按照笔记本电脑的市场需求来看，每 台笔记本电脑需要配备包括6 9 个电池的电池组，加上备用电池组，平均每台电脑 需要1 0 个锂电池，2 0 0 5 年笔记本电脑的全球产量为6 1 0 0 万台，锂电池的占有率达 到了8 0 ，按此推算，2 0 0 5 年笔记本电脑锂电池的使用量在4 8 8 亿个。而这仅仅只 是笔记本电脑锂电池的使用数量。 锂电池有这么大的市场，我国的锂电池行业必然也是蒸蒸日上。锂电池从1 9 9 2 年由索尼公司商业化开始，2 0 0 0 年以前日本的电池产量占到世界的9 5 以上。近年 来，这种格局已被打破，2 0 0 5 年日本锂电池的全球市场占有率将跌至5 0 以下，世 界锂电池产业中目韩三分天下的格局已形成，2 0 0 2 年中国锂电池产量已提升到2 7 亿只，全球市场份额达2 0 以上。虽然我国锂电池生产企业己超过3 0 多家，手机锂 离子电池制造规模逐渐增大，但是与国际一流生产制造公司相比还有很大差距，只 有“比亚迪”和“力神”品牌的锂电池进入了国际前十名；能够为手机原装厂特别是跨国 手机厂商配套的只有比亚迪、力神、光宇、a t l 等少数几个公司。 近几年，消费和移动等i t 领域终端产品强势增长。目前，中国移动通信网络的 规模和用户总量均居世界第一，手机产量约占全球的三分之一，己成为名副其实的 手机生产大国。国内以“t c l ”、“波导”为旗帜的手机厂商，2 0 0 3 年中国品牌手机的 销售总量4 5 0 0 万部。而锂离子可充电电池目前已成为手机、笔记本、p d a 等移动消 费电子的标准配置电源。据中国市场研究机构m o n e ( 新材料在线) 公布的数据，表明 镍氢电池和镉镍电池市场正逐年被锂电池所代替，手机、笔记本、p d a 和便携式摄 影机等消费和移动电子产品市场继续走强。此外，海外手机、笔记本品牌在国内的 生产基地，推行本土化采购原则，无疑为国内锂电池消费市场增加砝码。借助于自 产自销的优势和国内移动消费电子市场需求的快速增长，国内锂电池生产企业的快 速崛起足以让日韩同行既羡慕又震j 晾。 我国在锂电池生产方面有很多方面的优势，但也有不少方面受到内部和外部条 件的影响。中国有价格低廉和丰富的劳动力资源，可以使用人力为主的半自动化生 产线，从而采取低成本的竞争策略。日本建一条锂电池生产线的成本要高出中国数 倍乃至数十倍；此外，国内锂电池生产企业，生产规模的扩张，也成为拉动全球锂 洒安建筑科技大学硕二l ：论文 电池市场价格快速下降的重要因素。目前，比亚迪、力神等国产液态锂电池企业已 成功赶超f 嘲j 锂电池企业，在新一代聚合物锂电池项目的应用发展上，国产锂电池 企业电毫不逊色。全球家电、通讯产! 世巨人t c l 集刚对此项目信心一t 一足，其全 瓷予公司t c l 金能电池有限公司通过不断地规模扩张，目前年产能已达6 0 0 0 多万 支，成为仅次- j 二s o n y 、三星s d i 的全球第三大聚合物锂电池制造企业，到2 0 0 6 年 t c i 。金能电池的产能将达到2 亿只的规模，届时中国将形成液态以比业迪、聚合物 以t c i 。为旗帜的锂电池产业巨人。面对来自日益崛起的中国锂电池企业的挑战，e t 韩锂电池企业被迫采取措施和改变策略应战。一方面通过专利武器向中国企业施压： 另一方面转移生产基地及调整生产规模，以应对中国企业低成本的竞争策略。所以 我国不但要加强锂电池的生产，同时还要加强锂电池自主研发的能力。 锂电池隔膜是锂电池的重要组成部分，但我国目前还没有生产出拥有自主产权 的锂电池隔膜，锂电池隔膜完全要从日本和美国进口。 1 12 锂电池隔膜的生产工艺及控制系统 锂电池隔膜的生产过程分几个工段，其生产工艺及控制框图如图12 。从配料的 搅拌机到挤出机，然后再通过流延机、拉伸机、清洗机、复合机、切割机等。这整 个系统中所有的设备仪器利用p r o f i b u s 现场总线进行通信，通过上位机调节各个环 节的参数。例如，在生产线过程中，我们要对生产出来的隔膜进行拉伸，以达 图1 2 锂电池隔膜生产工艺及控制框图 西安建筑科技大学颂：i ：论文 到对锂电池隔膜工艺的要求；同时要列生产出来的膜进行检测，并将检测出来的参 数传输到上位机，由上位机来决定渊：节拉伸机的参数。锂电池隔膜关断测试系统位 于切割机的尾部在线抽样检测从而获得当前时刻隔膜的参数，并传递给上位机来控 制整个生产线的运行参数。 在整个控制系统中，主控机箱起着至关重要的作用。主控机箱控制着整个生产 线有序地运转。对于前部的搅拌机、挤出机、流延机和拉仲机还需要通过它控制它 们的温度以利于聚乙烯颗粒成膜。因此在这些仪器内部装有温度控制仪，也是由主 控机箱来控制。 因为拉伸机是控制膜性能的主要部分，并且部分工作需要人工来完成，所以此 部分使用了一个嵌入式工作台，以利于更加快捷有效的控制生产线运转。 1 2 锂电池隔膜的检测原理及方法 1 2 1 锂离子电池结构及原理 锂离子电池( 1 i t h i u mb a t t e r y ) 又称为锂电池，它是现代材料电化学学科的一个巨大 的成功。锂离子电池由锂离子插层负极材料( 一般为石墨) 、锂离子插层正极材料( 一 般为锂的氧化物如l i c 0 0 2 ) 及将两者分离开的锂离子传导电解液( 如溶有钾盐l i p f 6 的碳酸乙二脂碳酸二乙脂有机溶液) 和亚微米级微孔的聚烯烃薄膜隔板等材料构成， 如下图1 - 3 所示。 0 i ( ) 7 1 绝缘体：2 一垫圈；3 - p 1 c 元件：4 一正极端子：5 一排气孔； 6 防爆阎；7 一正极；8 隔板：9 一负极；1 0 负极引线：1 1 _ 夕 壳 图1 3 圆筒形卷式锂离子电池结构图 锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正 极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状 西安建筑科技大学硕二e 论文 结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越 彩，充电容量越高。 同样道理，当对l 乜池进行放电时( 即我们使用电池的过程) ，嵌在负极碳层中的 锂离子脱出，又运动【亘l 到正极。i 亘】到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常 所说的电池容量指的就是放电容量。 不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极一负极一正极的 运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两 极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了 锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。 锂离子电池正极主要成分为l i c 0 0 2 ，负极主要为c 。 充电时正极反应：l i c 0 0 2 - - - + l i l 一x c 0 0 2 + x l i + + x e 一 负极反应：c + x l i + + x e c l i x 电池总反应：l i c 0 0 2 + c ，l i l 一x c 0 0 2 + c l i x 放电时发生上述反应的逆反应。 在锂离子电池内设有3 种安全机构：( 1 ) 正温度系数元件( p t c ) 。当电池内的温度 过高，p t c 的阻值随之上升，会自动将阴极引线与阴极之间电路切断；( 2 ) 特殊材料 的隔板。当电池内温度上升到一定数值时，隔板上微孔会自动溶解掉，从而使电池 内的反应停止：( 3 ) 安全阀。当电池内部压力升高到一定数值时，安全阀将自动打开。 这样就大大提高了锂离子i 乜池的安全性。 锂离子l 乜池，如下图1 4 所示，具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而 得到了普遍应用现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格 相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的 15 2 倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不 含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。 图1 4 锂离子电池 西安建筑科技大学硕二i 二论文 i2 2 锂电池隔膜简介 i2 21锂电池隔膜的组成及作用 锂电池隔膜是锂电池结构中最重要的一部分。现在要求隔膜的厚度一般为 2 5 u n l ，单层隔膜可能达到的厚度为7 4 0 9 i n 。 隔膜通常有两种类型。其一，选用聚乙烯( p e ) 、聚丙稀( p p ) 、聚乙烯( p e ) 三 层合拼隔膜纸，目前有美国c e l g a r d 及日本u b e 。制造此类型隔膜特点在于降低 成本，但制造工艺复杂，对超薄1 6 9 m 以下尤为难做到。其二，单层l ，e 隔膜，目前 有f t 本的旭化成、东燃、美国的e n t e k 三家公司。此类型隔膜由于是单层p e ，故 生产成本较高，但对制造超薄1 6 9 r n 以下创造了条件，因此获得大电池厂家如三洋、 索尼、松下、万胜等的青眯，日本优质电池隔膜几乎全部采用单层p e 隔膜。w i d e 公司的隔膜纸产品也采用单层p e 隔膜。 电池的正负极之间的隔膜，首先它必须具备良好的电绝缘性，其次由于它在电 解液中处于浸湿状态，必须具备良好的耐碱性，并且要有良好的透气性等。因此电 池制造商在选择隔膜时多选用在较广的温度范围内( 5 5 8 5 ) 保持电子稳定性、 体积稳定性、和化学稳定性，对电子呈高阻，对离子呈低阻，便于气体扩散的尽量 薄的隔膜。 它的主要作用是将电池的正负极隔离开来，以防止短路；此外还能吸附电池中 化学反应所必需的电解液，确保高的离子电导率，即使电解质离子通过的功能；有 的隔膜还能防止对电池反应有害的物质在电极间迁移，保证在电池发生异常时使电 池反应停l 上，提高电池的安全性能。 隔膜性能的好坏在很大程度上将影响电池的循环寿命和自放电状况。因此，透 气性、厚度、阻抗的设计成为判别电池品质好坏的重要指标。对于锂电池，如果隔 膜的隔膜孔洞不好，将影响锂离子在正负极之间的传递，继而影响锂电池的充放电。 i2 22 锂电池隔膜的关断特性 当电池外部发生短路时或有大电流通过电池时，隔膜微孔就会闭塞，切断电流 通过电池的回路。隔膜的大电流或外部短路时微孔闭塞，切断电流回路的功能称为 隔膜的关断特性。 我们采用国际先进的c e l g a r d 2 3 0 0 p e p p p e 三层复合膜。在电池升温达到1 2 0 。c 的情况下，复合膜两侧的p e 膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升 温达到1 3 5 时，p p 膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温。它能够有效的停止 两电极间的电流流动，从而达到热保险的作用。 西安建筑科技大学硕二| 二论文 12 23 锂电池隔膜的电阻 隔膜电阻是当电流流过电解液时，隔膜有效微孔中电解液所产生的电阻r 。： r m = n ， ( 1 1 ) 式中 隔膜电阻； 成溶液比f _ i i i ； j 表征隔膜微孔结构的因素等； 结构因素包括膜厚、孔率、孔径、孔的弯曲程度，其中孔径的大小和温度有关。 i 2 3 锂电池隔膜的关断性能检测原理及方法 对于锂离子电池隔膜的关断性i i i i 试，目前尚无标准的测试方法，一般电芯厂 家都是凭借隔膜生产厂家的信誉来购买隔膜，加工成电芯以后对电芯进行测试，这 种测试能够反映电芯的真实工作环境，因而测试结果比较准确，但有一定的滞后性， 而且从隔膜进厂到电芯测试完毕这个时间滞后还较长，并且造成的浪费也很大，做 一个电芯( 尤其是高容量电芯) 不仅需要很多的隔膜，还需要很多其他材料，而且 一个成功的测试需要的样品数量也相当可观。还有一种检测方法就是在加工成电芯 之前直接对隔膜进行检测，目前还没有标准的隔膜关断性能测试仪，从查阅的各种 文献、专利来看，一般都是在电解液中用电极夹住膜板，模拟电池的真实环境，将 电池升温，用交流法测定隔膜的电阻。整个模拟电池放在槽中，用电热器升温，通 过对隔膜电阻随温度变化特征的测定来说明隔膜的关断特性。 生产出来的锂电池隔膜是否合格，可以通过锂电池隔膜的热关断特性来检测。 随着温度的升高，锂电池隔膜的p e 层逐渐关闭，这时隔膜两边的电解液逐渐被隔开， 电子和离子的流动逐渐减少( 从外部来看，也就是锂电池隔膜的电阻逐渐增大) ，温 度最终达到1 3 5 时，p p 膜也关闭，这时隔膜完全关断，将两边电解液完全隔开( 这 时电阻理论上无穷大) 。 测试系统安装在隔膜生产线上，且在切割机之后，见图i - 2 。测试仪器的壳体是 一个可控制升降温的容器，其中充满锂电池电解液来模拟真实的锂电池环境，然后 用加温的办法来测试锂电池隔膜的关断特性，检测它的电阻随温度变化的趋势。应 用脉宽调制脉冲控制温度的变化，采集当前的温度和锂电池隔膜的两端的电压值， 同时将温度和计算出来的电阻值通过现场总线上传到上位机，在上位机将生成的电 阻值曲线和标准电阻值曲线相匹配，生成调整参数，进而来控制其它设备的生产工 艺。 西安建筑科技大学硕二e 论文 美 等国不向我国出口锂f 乜池生产线，并严加控制向我国出口高质量的锂电池 隔膜。在国内，锂i ! ! - 测隔膜关断测试系统还没有厂家生产，该项f - ：i 将填补我国锂电 池隔膜关断检测的一项空缺。该系统实时、在线抽样检测，在锂电池隔膜的生产过 程中起着重要的作用。从长远来看，随着我国科技的发展，不论工、农_ q k f l = _ 产，人 们生活，还是国家安全，锂电池都将起到非常重要的作用，那么锂电池隔膜的生产 就至关重要。要生产出来高性能的锂电池隔膜，锂电池隔膜的在线抽样检测是必不 可少的。 l 3 论文的主要工作 本文是以锂电池隔膜生产线的设计、安装和调试为背景，详细论述锂电池隔膜 生产过程中如何对隔膜关断性能进行实时、在线抽样监测，以及检测系统的实现， 包括检测电路、温控系统和现场总线的接口部分的电路的设计。 本文主要做了如下工作： 1 分析锂电池隔膜的关断性能检测的原理，对不同的测试方法进行比较；利用 嵌入式芯片l p c 2 2 1 0 作为微处理器，设计电路，分析调试结果； 2 研究温度控制的电路原理，以及利用嵌入式芯片进行温度控制的方法，并进 行具体的软、硬件设计；应用模糊算法研究温度的控制，并对算法进行仿真； 3 采用p r o f i b u s d p 总线，研究其接口方法及其协议，并对其软、硬件进行 了设计。 西安建筑科技大学预：l 一论文 第2 章隔膜关断性能测试系统的实现 2 1测试系统的基本参数及主要性能指标 采样周期：不大于1 0 0 m s ( 完成所有参数采集) 阻抗测量范围：o 0 0 1 1 0 0 0 0 f 2 温度测量范围：l o 3 0 0 测量误差：不大于1 ( 阻抗)不大于土1 ( 温度) 工作温度：一2 0 3 0 0 ( 测试用机械装置) o + 4 0 ( 环境温度) 能够设定、显示温度的变化速率和升、降温曲线，隔膜电阻值随温度、时间 变化的曲线并具有打印功能 2 2 系统测试方法设计 这里测量的是锂电池隔膜的电阻，其内阻是隔膜内电解液的电阻，它的测量是 有源电阻的测量。目前行业中应用的有源内阻测量方法主要有以下三种： 2 2 ，1 直流放电内阻测量法 根据公式r = v i ，测试设备让电池在短时间内( 般为2 - 3 秒) 强制通过一个 很大的恒定直流电流( 目前一般使用4 0 a 一8 0 a 的大电流) ，测量此时电池两端的电压， 并按公式计算出当前的电池内阻。 这种测量方法的精确度较高，控制得当的话测量精度误差可以控制在o 1 以 内。但此法有明显的不足之处： ( 1 ) 只能测量大容量电池或者蓄电池，小容量电池无法在2 - 3 秒钟内负荷 4 0 a 8 0 a 的大电流。 ( 2 ) 当电池通过大电流时，电池内部的电极会发生极化现象，产生极化内阻。 故测量时间必须很短，否则测出的内阻值误差很大。 ( 3 ) 大电流通过电池对电池内部的电极有一定损伤。 2 2 2 交流压降内阻测量法 锂电池隔膜实际上等效于一个有源电阻，采用频率为1 k h z 的正弦恒定交流信 号源来提供电流，对基准电阻进行电压采集的方法。经过整流、滤波等一系列处理 后通过运算放大电路计算出该电池的内阻值。交流压降内阻测量法的电池测量时问 西安建筑科技大学硕士沦文 极短，般在1 0 0 毫秒左右，l 乎是一按下测量开关就测完了。 这种测量方法的精确度也是较高的，测量精度误差一般在1 一2 之间。 此法 的优缺点： ( 1 ) 使用交流压降内阻测量法可以测量几乎所有的电池，包括小容量电池、笔 记本电池电：占的内阻测量一般都用这种办法。 ( 2 ) 交流压降测量法的测量精度很可能会受到纹波电流的影响，同时还有谐波 电流干扰的可能。这对测量仪器电路中的抗干扰能力是一个考验。 ( 3 ) 用此法测量，对电池本身不会有太大的损害。 ( 4 ) 交流压降测量法的测量精度不如直流放电内阻测量法。在某些内阻在线监 控的应用中，只能采用直流放电测量法而无法采用交流压降内阻测量法。 2 2 3 交流电桥法 根据l a m a n 等人在充电式锂电池中隔膜的阻抗研究论文所述：采用r c l 电 桥法测量隔膜阻抗，以1 k h z 交流信号作为测量用激励信号。但论文并没有提供具 体采用交流电桥的类型及相关参数。我们必须通过实验来验证采用哪种电桥才适合 隔膜的测试应用。 普通的交流电桥调节平衡后，需要人为读取测量值，对于智能化测量来说显然不 能允许。 对于目前市场上所售r c l 数字电桥，也是采用微控制器实时采集桥臂信号，然 后反馈给可调元件来调节电桥平衡。电桥达到平衡需要一定的调整时间，这对于我 们实时采集也是不能够允许的。 2 3 测试系统工作原理 23 1测试系统的基本工作原理 检测隔膜电阻时，在模拟锂电池环境中，系统中采用交流压降内阻测量法测量 隔膜电阻。通过给该模拟电池加上交流信号，测量隔膜在不同温度下的电阻值，进 而描绘出隔膜电阻与温度之间的关系曲线，即关断特性曲线。我们通过将检测出来 的关断特性曲线和标准关断曲线进行比较，得出所检测的隔膜的好坏。 给隔膜通以1 k h z 的正弦恒定交流( 恒定频率，恒定有效幅值) 信号，然后通 过对相关参数的采样、计算得到精确的隔膜电阻值，如图2 1 所示。 西安建筑科技大学硕士论文 图2 1 交流阻抗法测量原理 假设流过隔膜的电流有效值为i 。，隔膜两端的电压有效值为u g ，隔膜的阻抗值 为： 卟鲁 协。 有两种办法可以测量交流电压有效值： ( 1 ) 通过a d c 的高速采样( 采样频率是被测交流信号频率的1 0 倍) ，然后根据 所采集的交流信号波形，通过一定的算法计算出交流电压信号的有效值。这种方法测 量精度高，但a d c ! 必须一直处于采集状态，需要资源大、系统成本高、数据处理复杂， 不适合长期实时采集。 ( 2 ) 将交流电压信号通过整流滤波电路，调理成与交流电压信号有效值有特定 关系的直流电压信号，再送入a d c 进行采集。对采样频率要求不高，占用资源少， 电路设计容易实现，但在对交流信号转换的过程中引入较大的误差( 我们可通过较 精密电路设计和数据处理方法减小误差) 。 在本系统中我们采用第二种方法来测量交流电压有效值。 2 3 2 系统误差分析 1 方法误差 ( 1 ) 由于采集隔膜两端的电压u g 和检流电阻r 两端的电压u r 是分时完成的 西安建筑科技大学硕二i 二论文 而测量结果又认为进行这两次测量时隔膜阻抗是不变的( 即u 。和u r 是同一隔膜阻 抗下的两个电压值) ，实际测量时隔膜阻抗随着温度的变化而动态变化的，这就使测 量结果产生误差： ( 2 ) 由于采集计算隔膜阻抗数据和温度数据是分时进行的，而测量结果又认为 采集的温度数据和隔膜阻抗数据是同一叫刻系统的两个参数，这就使测量结果产生 了误差： 据认为，在电池处于热失控状态下，温度速率变化可以是1 0 0 分，甚至更高 的速率变化。对于l p c 2 2 1 0 在8 m h z 时钟频率下，控制的a d c 采集可以达到2 0 0 k s 的采样速率。如果我们采用i k 的采样频率，即每1 m s 采集一次。如果电池温度以 3 0 0 分的速率改变，在l m s 的时间内温度变化只有o 0 0 5 ，在这么小的温度变化 范围内，隔膜阻抗的变化是微乎其微的。所以对于我们的测试的系统而言，温度是 缓慢变化的信号，即隔膜阻抗是缓慢变化的。两次采样时间间隔所引起的测量误差 也是极其微小的。 2 测量误差 ( 1 ) 整流滤波电路输出的直流电压仍然存在一定程度的脉动成份，即输出直流 电压的以存在一定的脉动系数。这一脉动系数需要实际整流滤波电路设计调试时才 能准确确定。通过a d c 多次采样求平均值来减小测量误差。 ( 2 ) 正弦信号的不稳定，也会给测量带来一定的误差，通过提高采样频率，求 多次采样的平均值来减少误差。 2 4 总体布局及主要部件结构 2 4 1 系统整体设计 参见图2 2 ，隔膜关断特性测试系统的测量设备由交流信号源发生模块、隔膜阻 抗参数采集模块、温度测量及控制模块、信号调理模块、m c u 数据采集控制单元、 数据处理分析模块组成。 它的硬件主要由：隔膜测试机械装置、系统供电电路、测量用信号生成电路、 隔膜阻抗参数测量调理电路、温度采集控制电路、微控制器采集控制电路和数据接 收处理装置( p c 机) 组成。 西安建筑科技大学硕士论文 图2 2 系统结构图 2 4 2 测量装置及结构图 采用g e i g e r 等人的“现代锂电池的隔膜”( ”a d v a n c e ds e p a r a t o r sf o r l i t h i u m b a t t e r i e s ”) 11 ”i n t e r n a t i o n a ls e m i n a ro np r i m a r ya n ds e c o d a r yb a t t e r yt e c h n o l o g ya n d a p p l i c a t i o n ，f e b 2 8 一m a r 3 ，】9 9 4 所述方法操作。采用以】摩尔三氟甲烷一亚氨磺酰锂 ( h o 一11 5 ，3 m 3c o ) 在碳酸亚丙酯( a l d r i c h ) 与三甘醇二甲醚( a l d r i c h ) 1 ：1 ( 体 积) 中的溶液作为电解质，该电解质的电导率在使用温度范围内不会发生明显变化， 测量容器是模拟锂电池环境的一个工作箱，如下图2 3 所示。这个工作箱容器下部是 电热板，用来对其中的电解液加热，从而来模拟电池工作时的温度环境。这个工作 箱的外部是用特殊材料制成的防腐蚀钢板，在容器内部使用两块电磁防腐防爆夹板 将容器内部分隔成完全隔绝两部分，在板中间切割出直径为2 5 4 m m 的圆孔，在圆孔 周围粘紧绝缘橡胶垫片，并在橡胶垫片中间加紧两片极片作为电极，将生产出来的 隔膜加紧在两块绝缘橡胶垫片的中问。在整个容器外部引出八根导线，其中两根为 隔膜两边的电极引线，用于检测隔膜电压；另外两根是通过热电阻引出来，用来测 量容器内电解液的温度；两块电磁防腐夹板上的四根导线是连在控制系统上，当检 测完毕，两个磁极失电打开，将隔膜取出，换入新的待检测隔膜，两电极加电，两 个电磁夹板将隔膜牢牢的固定在两侧电解液中间。 在容器内部还有蛇形冷凝管，其中通入凉水来冷却电解液。冷凝管上部有电磁 阀门来控制冷却水的通断。 西安建筑科技大学硕：i 二论文 晕s t 加热电压u 图2 3 外部测量设备 这个设备是一个小型的控制系统。中央处理器控制夹板开合，外部机械设备将 裁剪好的隔膜放在极片中间，然后夹板上电加紧隔膜。此后，控制系统给电热板上 电，这时检测系统开始工作，当温度升到3 0 0 。c 时，电热板断电，将冷凝管阀门打开， 对电解液进行冷却，当温度达到1 0 时，重复上述工作。 2 4 3 测量电路 2 4 31 系统供电电路 如图2 4 所示，在这个电路中首先将开关电源的2 4 v 直流电压提供给稳压块 l m 7 8 0 5 ，l m 7 8 0 5 输出稳定的5 v 直流电给d c d c ，d c d c 输出稳定n + 1 2 v 和一1 2 v 电源给电路供电。采用r e g l l l 7 3 3 三端器件为l p c 2 2 1 0 提供3 3 v 电源。 西安建筑科技大学硕二 二论文 匝一 图2 4 系统供电电路 2 4 | 3 2 测量用信号源生成电路 市场上现有的电池内阻测试仪，测试用信号源均采用1 k h z 恒定交流信号。这 部分的电路使用芯片i c l 8 0 3 8 ，它的性能符合信号源的要求，生成信号很稳定。 i c l 8 0 3 8 精密函数发生器是美国英特西尔公司产品，国产型号为5 g 8 0 3 8 。它属 于单片集成电路，具有频率范围宽、频率稳定度高、外围电路简单、易于制作等优 点。它可产生0 0 0 1 h z 3 0 0 k h z 高质量的正弦波、矩形波( 或者方波、窄脉冲) 、三 角波( 或锯齿波) 等函数波形，很适宜装入万用表内部。此外，利用i c l 8 0 3 8 还能 实现f m 调制、扫描输出。下面介绍其性能特点、工作原理及典型应用。 1 性能特点 ( 1 ) 电源电压范围宽。采用单电源供电时，v + 一g n d 的电压范围是+ 1 0 + 3 0 v ； 采用双电源供电时，v + 一v - 的电压可在a ：5 , - 斗15 v 内选取。电源电流约1 5 m a 。 ( 2 ) 振荡频率范围宽，频率稳定性好。频率范围是0 0 0 1 h z 3 0 0 k h z ，频率温漂 仅5 0 p p m 。c 。 ( 3 ) 输出波形的失真小。正弦波失真度 5 ，经过仔细调整后，失真度还可降 低到o 5 。 ( 4 ) 矩形波占空比的调节范围很宽，d = l 9 9 ，由此可获得窄脉冲、宽脉冲 或方波。 ( 5 ) 外围电路非常简单。通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率。 ( 6 ) 输出特性正弦波：幅度约2 ，输出阻抗为1 k q 。矩形波( 或方波) ，幅 西安建筑科技大学硕士论文 度近似等于v i ；l 为集电极丌蹄输出( 相当于o c 门) 。三角波：幅度为华，输出 j 阻抗为2 0 0 f ) 。 ( 7 ) 作调频输f 、f ，f m 范围是1 0 k h z ，线性度为o 5 。 2 二i ：作原理 i c i 。8 0 3 8 采用1 4 脚双列直插式封装，管脚排列见图2 5 ，内部框图如图2 6 所示。 内部包括恒流源h i h l 2 ，电压比较器i 、i i ( 二者阈值电压分别为型兰、娑) ， 模拟开关s w ，r s 触发器，缓冲器i 、i i ，正弦波变换器。c 是外接电容器。构成 函数发生器时，应将第7 、8 两脚短接。 正弦谴弭节 正翦硅l 出 三：l l t 涟转l h l l l , l e ，占空比啊节 i l l , i l l 占空比调节 正电氟v i l l l l l i j li l u i d 2 1 3 善 1 2 t 1 1 5 工o b o 7 日 图2 5i c l 8 0 3 8 管脚图 图2 6i c l 8 0 3 8 内部框图 假定f i l l 、h l 2 的恒流值分别为1 1 、1 2 ，并且令1 1 = 1 ，1 2 = 2 1 ，当触发器置零 时，e = o ，使s w 断开。此时h l 2 被断开，仅h l l 向c 充电，电容上的压降v c 沿 直线上升。当v c = 兰时，比较器i i 输出高电平，v s = 1 ，将触发器置l ，q = 1 ，使 j 硒安建筑科技大学硕二e 论文 s w 接通。h l l 、h i 。2 虽然都起作用，但l i l l 对c 正向充i b ，而l i i 。2 对c 反向充电 ( 这相当于c 放电) 。因此，实际反向充f 乜电流为： i 反= 1 2 一1 1 = 2 1 一i = 1( 2 2 1 与正向充电电流在数值上相等，于是v c 沿直线下降。当v c = ! 时，比较器1 1 j 输出高电平，v r = i ，将触发器置零，q = o ，s w 断开，h l 2 不起作用，仅靠h l i 对c 1 正向充电。这样循环进行下去，便形成了振荡。显然，1 | = | f = 乜容器两端可产生三 角波，并经缓冲器i 输出；而从触发器的q 端可产生占空比为5 0 的方波，通过缓 冲器i i 输出。为产生正弦波，需利用正弦波变换器，它可使三角波的上、下的两个 尖趋于平滑，变成比较理想的正弦波。上述分析均假定1 2 = 2 i ，即电容器c 的充电时 问( t 1 ) 与放电时间( t 2 ) 相等。倘若1 2 # 2 i 并且使t 1 1 ，脉动系数 s 石音s ( 2 - l o )“jll ， l c 滤波电路在负载电流较大或较小时均有良好的滤波作用，它对负载有很好的 适应性。 2 4 35 微控制器采集控制电路 1 嵌入式：占片l p c 2 2 1 0 简介 l p c 2 2 1 0 是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 f d m i s t m c p u 的微控制器。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规 模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。由于l p c 2 2 1