电瓶储能交直流稳压控制器的研究

1、哈尔滨工程大学本科生毕业论文电瓶储能交直流稳压控制器的研究院 （系）：理学院专 业：光电子材料与器件学 号：2011115220学 生 姓 名：赵丽媛指 导 教 师：2015年 月摘 要顺应时代的大发展，电子科技不断进步，人民对于其便携性有了进一步的要求。然后电子商品携带性的最主要影响因素就是供能供电问题。锂离子电池自从20世纪90年代上市后，它以能量密度高，使用寿命长等特点倍受重视，选择锂离子电池成为直流供电电源是潮流趋势。因而作为直流供电电源的锂离子电池，势必要担负起系统提供安全、稳定、可靠的电力保障。然而锂离子电池极易受到过充电、深放电的危害，经常工作在严重损耗的状态下会使锂离子电池寿命

2、急剧下降，以至于过早报废。因此本课题设置了一整套控制电路，对锂离子电池寿命有效延长，为整个系统提供的安全、高效率的监测与保护。本课题主要设计三大模块，并运用主控系统将三大模块有效的紧密联系起来。本文将在锂离子电池基本原理与应用的基础上，融入三个模块的设计、原理与结构，并且按照设计要求作出实验体，完成调试，最终得出结论。关键字：锂离子电池；保护电路；报警；显示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 绪论1.1 论文的背景与意义锂离子电池由于具有电压和能量密度高，循环寿命长，能量效率高，自放电小，无记忆效应和无污染等优点，成为目前最有前途和竞争力的二次电池。锂离子电池已经广泛应用于便携式消费电子产品，如MP3，智能手机，笔记本电脑，数码相机，电动工具等。并且，随着成本降低，寿命和可靠性等性能的进一步提高，锂离子电池在电动汽车和能源存储等应用领域已经崭露头角，有望在未来几年超过消费电子产品成为其第一大应用

8、领域。但是，锂离子电池也受到诸多物理和化学因素的制约而在一些领域不能发挥它的优势。从目前的研究报道来看，过充电，内外部短路，挤压，振动，碰撞和过热等因素均可能诱发锂离子电池发生不安全行为。过充是锂离子电池在使用过程中可能碰到的安全问题之一，尤其是在锂离子电池组工作的过程中。目前锂离子电池的过充保护方法主要有物理方法和化学方法。物理方法主要是通过引入PTC元件，使用外部监测装置或采用安全阀等。化学方法主要是从电池的内部材料进行改进。锂离子电池采用有机溶液电解质，当电池处于过充状态时，有机溶剂容易在正极表面产生不可逆的氧化分解，在放出大量热量的同时伴随着大量可燃性气体的产生，导致电池内部温度及压力

9、急剧上升，从而给电池带来爆炸，燃烧的危险。另一方面，锂离子电池内部自身存在一系列潜在的放热反应，当电池在使用过程中因各种原因内外部短路而引起内部温升较大时，容易被引发。如当电池内部温度上升至120以上时，碳阳极表面钝化膜将发生分解，裸露在电解液中的高活性嵌锂碳电极随之与有机溶剂发生剧烈放热反应，导致温度进一步上升，并逐步引发电解质盐和阴极材料的分解，以及嵌锂碳电极与黏结剂之间的剧烈放热反应等，从而导致电池热失控，发生爆炸。由于目前广泛使用的电解液溶剂体系均为低闪点的有机碳酸酯类，在电池发生爆炸，往往伴随着剧烈的燃烧，加重了安全性事故的危害程度。因此，对锂离子电池安全性的提高，对扩大锂离子电池的

10、商品化程度，保证使用过程中人员的安全是非常重要的。本研究课题主要是利用外部监测装置这一物理方法来对锂离子电池的充放电过程进行监测和保护，实现锂离子电池工作时的电压测量和显示功能，并使其输出220V的交流电压。1.2 国内外发展以及研究现状锂离子电池的安全性能一直是人们关注的焦点,为此制定了很多电池安全性能规范与标准。锂离子电池的安全性，尤其是过充试验和热稳定性最让人感兴趣。科研人员对锂离子电池的短路、过充、高温性能等设计了一些试验方案，希望能从理论上分析锂离子电池的安全性能及其影响因素。1991年，英国电信部门对正在使用的VRLA电池进行了检查和测试，发现VRLA电池并不象厂商宣传的那样，电池

11、出现了热失控、燃烧和早期容量失效等现象，这引起了电池工业界的广泛讨论，并对VRLA电池的发展前途、容量检测技术、热失控好人可靠性表示了疑问，此时，VRLA电池市场占有率还不到富液式电池的50%，原来提到的“密封免维护铅酸电池”名称正式被“VRLA电池”取代，原因是VRLA电池是一种还需要管理的电池，采用“免维护”容易引起误解。1992年，针对1991年提出的问题，电池专家和生产厂家的技术员纷纷发表文章提出对策和看法，其中DrDaridFeder提出利用测电导的方法对VRLA电池进行监测。I.c.Bearinger从技术方面评述VRLA电磁的先进性。这些文章对VRLA电池的发展和推广应用起了很大

12、的促进作用。1994年， USA的P.Dan等对AA型Li/LixMnO2电池进行了短路研究,他发现在短路几秒钟后,电池温度迅速增加。1999年，K.Kitoh等对100 Wh的大电池进行了试验,他们在试验中用外接电阻的方法进行短路。当外接电阻小于电池内阻(电池内阻平均为5 m)即外接电阻为0.2 m时,电池内部的电流保险丝很快切断电流,电池温度升高不多,安全气阀也没有打开。当外接电阻基本等于电池内阻即外接电阻为6 m时,电池的温度达到120，80 s以后安全气阀打开，电解液蒸汽从气孔处轻微逸出，10 min以后电压和电流都降为0，电池不能充电。当外接电阻约为内阻的两倍即外接电阻为11 m时,

13、电池充放电正常,电池的最高温度低于100。2000年，S.Passerini等对电池外接0.1小电阻进行试验，测试开始时，电流约为850 mA，但5 min后降至50 mA，试验开始后几秒内温度升至38 ,但很快降至室温。2001年，A.L.Randolph等用1 500 mAh的方形电池研究过充历程。在试验中,以1C恒流充至12 V，当95%的锂从正极脱出时，电压达到5.5 V，随后迅速增至限制电压。在试验中，绝大部分时间电池的外部温度很低,唯有最后阶段,温度突然快速增至103且炸裂。2001年，K.N.Han等对6 Ah电池用1C充电2.5 h,充到电池能力的105%150%时电池爆炸。他

14、们的试验都说明高倍率充电到一定程度电池会爆炸。2005年，北京有色金属研究总院的庞静等人以尖晶石锰酸锂作锂离子电池正极材料，研究其过充电特性及影响因素。结果表明，电池1C过充特性和正极活性物质的量有关，与负极活性物质的量无关。充电倍率是影响电池过充特性的关键因素，低倍率过充时,结束电池过充的主要原因是内部电解液分解殆尽;高倍率过充时，因电池内部产生的热量增加，散热相对滞后，导致电池内部温度升高隔膜熔断从而截断回路结束过充。2011年，王小双等人介绍了一种应用推挽式电路设计的单相300W，50Hz的逆变电源，给出了系统的结构原理图，并详细阐述了逆变电源的功率主电路，PWM控制电路，保护电路和故障

15、显示及报警电路的设计方法。试验结果表明，该逆变电源设计合理，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 论文要求及所做工作1.3.1 电源保护电路的设计 由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应,该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。1.3.2 升压模块的设计在锂离子电池充电达到过充状态时，主控系统将驱动放电电路进行放