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采用MSP430单片机完成电池电量测量系统.doc
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采用MSP430单片机完成电池电量测量系统
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中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2012 届 本 科 毕 业 设 计 说 明 书
第 1 页 共 41 页
1 绪论
1.1 引言
锂离子电池是 20 世纪 70 年代以后发展起来的一种新型储能电池。由于其具有高能
量、寿命长、低能耗、无公害、无记忆效应以及自放电小、内阻小、性价比高、污染少
等优点,锂离子电池在逐步应用中显示出巨大的优势,广泛应用于移动电话、笔记本电
脑、摄像机、数码相机、电动汽车、储能、航天等领域
[1]
。
目前使用的各类电池中,锂离子电池(也称锂离子二次电池或锂离子蓄电池)是近十
几年才发展起来的一种新型电源。自 20 世纪 90 年代初日本索尼能源开发公司和加拿大
莫里能源公司研制锂离子电池获得成功以来,一直是世界各国竞相研究开发和应用的热
点
[2]
。
在第 215 届电化学会议中,新型电极材料仍是锂离子电池的研究热点之一,与传统
正极材料 LiMn
2
0
4
、LiCoO
2
、LiMnPO
4
相比,LiFePO
4
正极材料所特有的安全性能引起了人
们的重视。其中粘结剂作为非导电的活性材料在锂离子电池中的重要性开始逐渐被认识
和接受。美国劳伦斯伯克利国家实验室研究了电极循环性能与电极片机械能的关系,发
现电极的机械能与长期循环性能的关系密切,电极的损坏,特别是碳负极的损坏主要源
于极片力学性能的下降,指出电极材料并不是决定电极性能的唯一因素,粘结剂的性能
和极片的制备方法、工艺也是必须考虑的
[3]
。
近年来,许多研究者不再局限于对某一材料的制备与优化,开始着眼于整个系统的
匹配,优化电极片和制备方法,瞄准动力汽车的需求设计高能量电池和高功率电池,分
析电池衰退的原因,开发满足动力电池需要的 3000 至 5000 次循环寿命的长寿命锂离子
电池
[4]
。
涉及锂离子电池的研究内容和手段不断的丰富,对于锂离子电池制备工艺的提高也
有很大的促进与提高。
以上所述介绍了锂电池的发展现状,进一步研究和开发锂离子电池对发展与能源密
切相关的的各项产业具有非常意义,而且通过本课题的研究为我增加了很多聚合物锂电
池的知识。
电池运行状态的监测主要是通过检测电池的电压、电流、温度等同电池性能密切相
关的参数与时间相对应的关系,得出当前电池的运行状态信息,然后通过分析处理并和
预先设定的电池性能判断标准进行比较,从而诊断出电池的当前的健康状态是否良好
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[5]
。
本文设计的电池环境试验电量监测记录仪是以MSP430FG4618单片机作为控制器,实
现自动采样电池电压,依据每个电池特性及时断开放电电路并记录存储放电过程中的电
池电压,并通过电压、电量之间的运算关系,最终计算出锂离子电池的电量。
1.2 本课题研究的目的和内容
电池是目前人们生活中一种使用最频繁的后备电源,而且随着我国电力、通讯行业
快速发展以及人们对电池维护工作的越来越重视,因此对电池监测仪器的市场需求也越
来越大。而目前国内现有的监控仪器由于监测方法及电池失效模式判据不当的限制,使
其性能不能完全满足对电池监控的需要,而国外的同类仪器虽然性能较高,但价格昂贵,
不适合一般用户使用
[6]
。微处理器技术的飞速发展和电池监测技术方法的不断完善,为
提高电池监测仪器的整体性能和降低系统成本提供了可能。研究开发具有巡检速度快、
性能更加完善可靠、性能价格比高的电池智能监测仪器是电池监测装置的必然趋势和发
展方向
[7]
。
本课题研究的是如何设计基于 MSP430FG4618 的电池电量监测记录仪,通过所检测
出来的电压数据采集结束后将所测试到的数据送到 FLASH 里,等待到发数命令后将
FLASH 里的数据通过串行方式读入计算机。然后在对产生的电压进行计算并求出电流,
最终求出电量。
1.3 电池电量记录仪的研究现状及发展趋势
1.3.1 电池电量记录仪的研究现状
(1)随着科技的进步,笔记本电脑微型计算机,数字照相机,移动电话,医疗器械
以及近地轨道的地球卫星和高轨道同步卫星等新型电子仪器设备的发展,对电池产业提
出了更高的要求。成本低,高能量密度,高电压,轻型化,使用温度宽(-37℃~60
℃),且循环寿命长,安全性能好的全新的绿色电源成为人们研究的热点,而锂离子二
次电池成为市场前景最光明,发展最快的新型电池能源
[8]
。
(2)日本是名副其实的锂离子电池研究的中心。日本锂电池储能技术研究协会自助
了将近一亿两千万美院,并为此指定了详细的新阳光计划。直至 1995 年,全球锂离子
电池为日本独家生产而且产品份额基本上为日本垄断的局面难以打破。现在美国、韩国、
法国、德国、加拿大、中国等国重点发展了锂离子电池,这些非日本电池企业的发展已
经开始对日本锂离子电池的生产和应用市场产生影响
[9]
。
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(3)我国从 70 年代中期开始研制锂二次电池
[10]
,较早开展此项研究的单位有天津
电源研究所和北京有色金属研究总院、厦门大学、复旦大学、武汉大学等
[8]
。
(4)随着二次电池的快速发展,以嵌锂化合物作为正负极材料的新型高能量绿色电
池,锂离子电池以其独特的优越性获得广泛的应用。相比其它传统的水溶液二次电池,
锂离子电池具有单体电池工作电压高、质量比能量高、体积比能量高、循环寿命长、无
记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽、清洁无污染等优点
[11]
。
目前我国对于监测仪的发展主要做了如下的技术努力
[12]
:
(1)应用单片微机,提高仪表的可靠性、灵活性和分析能力,利用单片微机作为 CPU,
其产品售价也大大降低。
(2)具备了打印功能,扩展了诸如典型日参数统计、越限报警等功能。
(3)数据处理能力的加强。诞生了仪表附加卡式记录,用卡内 E
2
PROM 对各个电压值
进行记录,以便于插入专用转换座后由 PC 机进行辅助分析统计、存盘。
(4)注意可靠性的设计:普遍增设后备电源,便于仪表失电时对统计数据的保护
及系统日历钟运行。②采用全 CMOS 电路,既降低功耗,又提高噪声容限。
(5)结构上作进一步改进,出现了槽装式、挂装式、便携式等多种结构的仪表,以
适应不同用户的需要。
1.3.2 电池电量记录仪的发展趋势
电量记录仪的电压监测发展方向:
(1)操作要“傻瓜”型,维护要方便型。任何仪表能否推广成功,设计是重要因素。
要使操作人员能够直观地操作,不至于由于操作不当而造成仪表损坏,系统停机;要让
维护人员容易实现定期校验、维护
[14]
。这应从以下几个方面努力:
①采用应答式操作方式,按键即能直接显示对应参数,按键出错,能够自动显示出
错信息,释放键即能恢复正常显示;
②表内采用插板式结构,便于维修和更换;
③完善设计,采用新颖高可靠开关部件,软件配以自诊断功能。
(2)提供升等的条件。如更换EPROM或少量芯片即能实现仪表升等以便于扩展功能和
统计内容,延长仪表使用寿命。对110KV及以上等级的母线电压监测,需要五位数显示
的电量监测仪,仪表的分辨力亦要提高,可以采用高档的单片微机来实现
[15]
。
(3)功能可扩展。充分应用软件技术使仪表具备更多的功能供用户选择,如可以选
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择读出当月中任意一天的各整点电压及统计参数值,以适应不同用户对电压监测、分析
统计的要求。
1.3.3 锂电池电量计算方法
(1)内阻法:研究表明,电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性,通过测量电池
内阻可测量电量
[16]
。
(2)电压法:基于电池电压和剩余电量之间存在的某种已知关系。它看似直接,但却
存在难点:在测量期间,只有在不施加任何负载的情况下,才存在这种电池电压与电量
之间的简单关联。当施加负载时,电池电压就会因为电池内部阻抗所引起的压降而产生
失真
[17]
。
1.4 锂电池放电特性
1.4.1 锂离子电池概括
锂离子电池,俗称“锂电”,是目前综合性能最好的电池。锂离子电池负极是碳素
材料,如石墨。正极是含锂的过渡金属氧化物,如LiMn
2
O
4
。电解质是含锂盐的有机溶液。
通常锂离子电池并不含金属锂。由于锂离子电池不含任何贵重金属,原材料很便宜,降
价空间大。同时,与传统的电池相比,锂离子电池具有突出的优点:
(1) 工作电压高:锂离子电池的工作电压为3.7V,是镍镉和镍氢电池工作电压的三
倍。在许多小型电子产品上,一节电池即可满足使用要求。
(2) 比能量高:锂离子电池比能量目前已达140Wh/kg,是镍镉电池的3倍,镍氢电
池的1.5倍。
(3) 循环寿命长:目前锂离子电池循环寿命已达1000次以上,在低放电深度下可达
几万次,超过了其它几种二次电池。
(4) 自放电小:锂离子电池盘放电率仅为6%~8%,远低于镍镉电池(25%~30%)
及镍氢电池(30%~40%)。
(5) 薄型,轻量,无记忆效应(它可以根据要求随时充放电,而不会降低电池性能)。
由于具备以上优点,锂离子电池在作为新型电池在某些领域正在逐步取代传统的可充电
电池。主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。
1.4.2 锂电池放电特性
一般称放电时电池端电压随时间的变化曲线叫做电池的放电特性曲线,锂电池在不
同的放电电流下有不同的放电特性,其特性曲线见图. 由图可以看出,在开始放电时,
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锂电池的电压下降比较剧烈,然后进入一个稳定期,在稳定期电压下降很不明显,当电
量接近放完时,又有一个剧烈的电压下降,如果此时继续放电,则会毁损电池;如果放
电电流过大则放电时间非常短,电压急剧下降,电池温度急剧升高,电池则将无法正常
工作;如果电池的电压下降到 2.5V,再继续放电,将导致电池永久性损坏
[18]
。如图
1.1 所示:
图1.1 不同放电电流放电时间与电压曲线
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