锂电池智能管理系统

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1、浙江大学 硕士学位论文 锂电池智能管理系统 姓名：潘靖 申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动 指导教师：钱照明 20040301浙江大学硕七学位论文 摘要 摘要 锂离子，锂聚合物电池是年代发展起来的一种新型的二次电池。它兼具高能量密度和长循环寿命等优点，因此迅速成为实际应用尤其是便携式应用中的首选对象。 本文在对锂离子锂聚合物电池电化学原理和外特性进行分析的基础上，主要介绍了锂离子锂聚合物电池的各种充电方式、电池的均衡以及电池管理系统的基本组成；同时对线性充电器和开关电源式智能管理系统进行了详细的设计，并给出了实验结果。 米绶作者、导鄹嗣意 匆金文公布浙江大学顺上学位仑文 ， ， ， 浙

2、江大学坝士学位论文 第一章绪论 科技的进步、笔记本电脑、微型计算机、数字照相机、移动电话、医疗器材以及近地轨道的地球卫星和高轨道的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。低成本，高能量密度，高电压，轻型化，使用温度宽，循环寿命长，安全性能好的全新的绿色电池，特别是可充电二次电池备受人们关注。 目前广泛使用的便携性二次电池主要有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和锂聚合物电池等几种”。镍镉电池是最基本的便携式二次电池。它的能量密度只有一瓦特一时每公斤（），瓦特一时每升（），并且已经接近了极限值。比镍镉电池更加先进、更优越的是镍氢电池。镍氢电池除了具有较镍镉电池高的能量密度之外，

3、还是一种环保电池。它的能量密度达到了，。但是由于其高成本，还不能完全取代镍镉电池。锂离子电池是近几年才快速发展起来的，真正无污染的高性能二次电池，它的能量密度高达，远大于镍镉及镍氢电池。锂离子电池具有体积小、比能量大、寿命长，放电性能好等特点。短短几年时间里，己广泛应用于笔记本电脑、手机、便携式及等设备上。锂聚合物电池与锂离子电池类似，不同之处在于其电解质为胶状，所以可以做成任何形状。 常温锂电池是各类二次电池中多项性能指标最好的一种电池。在通常容量下，它具有两倍于电池的能量密度，单体电动势达到，并且随着生产技术的发展，还有进一步优化的趋势。锂电池具有这么多的优点，同时它的制造成本却相对低廉，

4、因此是未来最有前途的便携性二次电池。锂离子电池和锂聚合物电池的优点总结如表所示。 目前，锂电池已经广泛使用在便携式设备当中，在一些对电池的体积、能量密度、稳定性和使用寿命等要求较高的场合（如空间站，通讯卫星或通讯基站等），大容量的锂电池也越来越多的被人们所采用。糍；：天学赣量擘健趋空 表锂电池尊锂聚台物电池的主要优点 电池类别 镪离子电池 镪聚合物电池 具有键燕子电涎爨全都茏点 无电池漏液问题，其电池内部 不舍滚态邀解滚，镬蠲胶态弱蕃 体。 可制箴薄黧电港；以 ，离的能爨密度 的容量，其厚度可 商的工作电压 薄至。 笼记忆效应 电池可设计或多釉形状 主要优点 循环寿命长 ，电池可弯曲变形：高分

5、子电 茏污染 滤聚夫可弯錾。左右 重量轻 可制成单颗高电压：液态电 冬教毫小 解壤靛毫涟谖靛蔽数鬏毫涟宰 联得到高电压，高分子电池由于 本身无液体，可在筚颗内做成多 滕组合来达到高电压。 容量将比同样大小的键离子 电池裹枣嫠 当锾宅渣静管理方法主要京鬻耪：基于专用芯片的锂电濑管理 在便携式应用中，人们一般采精容量稻对不大的锤电洮，戮求在设备的便携性与工作时间之间敷得一定的平缴。同样的，作为设备内部锂电池的管理系统，冀体积和照量也成该尽量缩小。而且，由于电池容量不大，因此电池管理的内容螅对麓单，一般不涉及复杂豹均鬻等阉题。因此，基于专蠲芯片的铿电池镑理在这些设备当中非常普遍。这些专用芯片在定的外

6、闰电路的配合下，能够实现简繁静电漶楚放电蛰瑾窝一些蓠蕈的镙护功链，完全能够滚是经携式设鍪熬惹要，同时有效的控制了设备的体积和成本，深受设备厂家的欢迎。目前的芯片有能够浙江大学硕卜学位论文荦独使用，实现简单充放电保护功能的；也有带微机控制接口，能够与处理设备协同工作，实现相对复杂功能的。基于专用芯片的电池管理已经成为便携式设备电池管理的最主要方式。 但是专用芯片的功能单一，因此灵活性较差，同时它无法提供圆满的均衡充电方案，具有一定的局限性。基于监控测量的大容量智能化锂电池管理系统 在某些应用场合，特别是电池容量大，性能要求高的场合，专用芯片由于其局限性已经失去了用武之地。取而代之的，我们需要一个

7、具有一定处理功能的设备（如单片机）来集中处理采集来的电池数据（包括电池电压、电流、温度等），通过这些数据判断电池所处的状态，依据一定的管理方法，对电池采取智能化的管理方式，以求达到最有效使用电池容量和延长电池使用寿命的目的。 本论文介绍了锂离子电池和锂聚合物电池的电化学原理，分析了它们的充放电特点和使用过程中应当注意的问题，讨论了锂电池管理系统的主要构成和设计方法，最后设计制作了两个典型的锂电池充电器及其保护电路，并给出了实验结果。浙江人学硕学位论文 第二章锂电池的原理及其特性 本章主要介绍了锂离子电池和锂聚合物电池的化学组成，电化学原理，充放电特性，温度特性等等。并既明了锂电池与其他电池的区

8、别和在使用过程中必须注意的问题。 主要内容：锂电池的类别及其化学特性 锂离子锂聚合物电池的外特性浙【，。学钡：学位论文 第一节锂电池的类别及其化学原理 锂电池主要分为两大类：一次锂电池和二次可充电锂电池。一次锂电池不可充电，只适用于某些特殊的场合，我们在这里不作详细的介绍。本章将着重介绍各种二：次可充电锂电池，主要包括锂离子电池（）和锂聚合物电池 （）。鹤方子鲁趱（）口四噶 锂是元素周期表中原子量最小（）、比重量小（，。）、电化学当量最小（蚰）、电极电势最负（一）的金属。锂作为负极的锂电池具有开路电压高（以上），比功率高（超过。和一），放电电压平稳，适用范围大和使用寿命长等特点。“早期的锂电池

9、直接在负极中使用金属锂，容易在充电过程中产生锂沉积和锂枝晶，并且产生腐蚀现象，大大缩短了电池的循环寿命，严重时可造成电池短路甚至爆炸。 为了解决这一问题，人们开发出了锂离子电池。所谓锂离子电池，是在正极和负极中采用可以容纳锂离子的晶状结构活性材料，使锂离子随着充放电从正极转移到负极或者从负极转移到正极，如图所示。” 电池通过锂金属氧化物正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成 髓臻瞥日归九 攀嚯 日口日日 图锂离子电池的结构示意图浙江人学坝卜学位论文的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到

10、达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。通常所说的电池容量指的就是放电容量。“ 一般锂离子电池的负极由碳（）材料构成，正极由锂金属氧化物（。）构成，主要的化学反应为： 负极反应：一 。 正极反应： （）一 总反应式：铮（） 通过使用锂离子替代金属锂，大大增加了电池的稳定性，基本消除了结晶现象和电极腐蚀，使电池循环寿命得到了很大的提高。 使用不同的活性材料，包括电池的正极材料、负极材料和电解质，电池的性能特性也会有所区别。下面对锂离子电池组

11、成部分的研究状况作一简单介绍。负极材料 实验证明，无论是晶状结构的碳，还是无定形的碳，都能够嵌入锂，都可以作为锂离子电池中的负极材料。其中，石墨由于其低成本、较低的电压（从而能得到较高的电池电压）、高容量和高可恢复性的优点，被大部分的电池厂商采用。正极材料 锂钴氧化物（） 其理论容量密度为，目前其实际容量密度约为。由于其具有生产工艺简单和电化学性质稳定等优势，所以率先占领市场。作为锂离子电池极材料的锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、循环性好的优点，其结构适合锂离子嵌入和脱出。在反复的充放电过程中，由于浙江大学硕学位论文锂离子的反复嵌入与脱出，使活性物质的结构在多次收缩和

12、膨胀后发生改变，同时导致发生粒间松动而脱落，使内阻增大，容量减小。 锂镍氧化物（） 锂镍氧化物的理论容量密度为，实际容量密度己达。其自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低。与相比，具有一定的优势。这是由于钴与镍相比，价格高、储量少。与结构相同，取代容易。 锂锰氧化物（） 锂锰氧化物理论容量密度为，实际容量密度在之间。其突出优点是稳定性好，无污染，工作电压高，成本低廉。目前应用较多的是尖晶石型。，其具有三维隧道结构，比层间化合物更利于的嵌入与脱出。是最具发展潜力的锂离子电池正极材料，合成方法有固相法和液相法，作为型锂离子电池正极，可使电池容量密度达，平均工作电压达。 纳米正极材料 作为锂离

13、子电池用的纳米正极材料，已有纳米结晶尖晶石、钡镁锰矿型纳米纤维、聚吡咯包覆尖晶石型纳米管、聚毗咯，纳米复合材料，其高空隙率为锂离子的嵌入与脱出和有机溶剂分子的迁移提供了足够的空间。目前，国内的研究机构已开发合成了钡镁锰矿型纳米锰氧化物、钡镁锰矿与水羟锰矿型复合层状纳米锰氧化物。 综上所述，在今后仍然有发展潜力。因为具有良好的电化学性能和的工作电压，且目前对的研究已较为成熟，在短期内仍将是市场的主流产品。但与电解液的相容性不理想是需要解决的问题。另外，由于其价格较贵，加上钴的储量有限，如果在性能价格比上没有突破的话，将有可能逐步被取代。具有价格和储量上的优势，其实际容量已接近理论容量的。尽管有自

14、放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低等优点，但只有提高其工作电压，并在制各方法上适应工业生产的要求，才具有更好的实用性。具有安全性好、无环境污染、工作电压高、成本低廉浙江人学坝卜学位论文的特点，其三维的隧道结构，比层问化合物更利于锂离子的嵌入与脱出，因此是现在和今后一段时间内的主要研究对象。但与电解液的相容性不佳，其高温循环寿命短等是亟待解决的问题。纳米材料、钒氧化物等新型材料，虽然目前还处于探索阶段，离实用还有相当距离，但它的兴起也为锂离子电池正极材料的发展注入了活力。电解质 锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质。由于电解质溶液不参加电化学反应，在充放电过程中不像一般水

15、溶性电解质那样会被消耗掉，所以电池不需要维护，这是一个很大的优点。电解质的研究开发对锂离子二次电池的性能和发展是非常重要的。锂离子二次电池的成本将主要取决于电解质的成本。锂离子电池对电解质溶液的要求是：应有较高的导电性，特别是对负极要有高的锂嵌入量和相容性：有机溶剂的分解电压要高，以减少自放电和电池内部的气体压力：使用安全、无污染、价格低廉。 目前锂离子二次电池主要使用的锂盐有：。、。、。等，一般将它们溶解于非质子性的有机溶剂中，如碳酸丙烯酯（）、碳酸乙烯酯（）、碳酸二甲酯（）、四氢呋喃（）、乙二醇二甲醚（）等，为了改善性能常采用混合有机溶剂。有人认为。为强氧化剂，使用不安全，不宜用于电池；。

16、虽然性能颇佳，但有毒且价格较贵更不应使用；。提纯困难、价格较贵，但被认为是目前较合适的电解质，一般将它溶解入和的混合溶剂中，与的配比以：或：时溶剂对碳电极的相容性较好，电解质的浓度为。 镗：蔡兮彩琦魈（）川四 锂聚合物电池是目前最先进的可充电电池，欧、美、日等各国都大力进行研 究和开发。聚合物锂离子电池主要优点：体积小、重量轻、能量密度高（ ）、自放电小、无记忆效应、安全性能好、可制成任意形状（这是最为关 键的。现有的锂离子充电电池由于电解液较多，可燃性高，在安全方面难以保浙江人学硕士学位论文证。而锂聚合物充电电池使用多孔性高分子材料为电解质，减少了电解液，不易泄露，因而能够确保其安全性。该电

17、池的重量能量密度要达到，体积能量密度为，输出功率密度为。现有的充电池的重量密度为。、锂离子充电电池为，。 锂聚合物电池主要由正极、负极与隔离纸等构成。目前所开发的锂聚合物电池中，高分子材料主要被应用于正极及电解质。正极的材料包括有导电性高分子、有机硫磺系化合物，或一般锂离子二次电池所采用的无机化合物。电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液；负极则通常采用锂金属或锂碳层问化合物。 锂聚合物电池跟现在市面上的锂离子电池来比较的话，锂聚合物电池在形状、无放电、信赖性与环境问题等方面都还有相当大的发展空间。在形状方面，锂聚合物电池具有可薄形化、可任意面积化与可任意形状化等多项优点，因此

18、可以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池。在无放电特性方面，锂聚合物电池因为可以采用高分子正极材料与锂金属负极，其重量能量密度将会较目前的锂电子次电池提高以上。而在信赖特性方面，则因为高分子锂二次电池的电解质采用高分子材料，不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的顾虑。目前许多厂商都己推出商品化的锂聚合物充电电池。包括有日本的日立、美国的、和加拿大的等多家公司，而所强调的重点都是在于其超薄的特性。一般而言，锂聚合物电池的厚度约为，与目前的锂离子二次电池的最小厚度（）相比可至少降低左右，因此可给厂商在设计产品时提供相当大的弹性空间。浙江人学硕学位论文 第二节锂离子锂聚合物电池的外特性 由于锂离子电池和

19、锂聚合物电池的外特性基本致，所以接下来选取锂离子电池作为我们讨论的对象。“”电池电压 锂离子电池的电池开路电压（）与电池的正负极材料、电池的充电状态有关。电池的额定电压有和两种，目前使用比较普遍的是的电池。该电池的充电终止电压为，放电终止电压一般为（不同的厂商有不同的推荐值）。从表吨可以看出，锂离子电池的单体电压相当于镍镉、镍 表电池工作电压 充电电压 额定电压 放电终止 电池种类 （） （） 电压（） 镍镉电池（） 镍氢电池（） 锂离子，锂聚合物电池 （）氢电池的三倍，也就是说，为了得到同样的电池组端电压，锂离子电池的使用数 目只有镍镉、镍氢电池的，大大减少了电池的数目，简化了电池组的设计、

20、增加了整个电池组的稳定性。 但是锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过。如果电池的终止充电电压是，那么允许的误差范围就是。终止电压过高，将会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充现象（），对电池造成永久性的损坏；终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。 图显示了充放电时电池电压随电池容量变化的关系。我们可以发现充电时电池的端压要比放电时高，这是因为电池本身和充放电回路上有一定的电阻。浙江人学坝士学位论文 。 碰 ，；一 ，（： 量 。！：；一 ，：；，一 蔓邡 ，二 。 阳 ” ” ” ” ” ”姜“器 图 低充放电率下，电池电压与容量的关系（电池终止电压为，） 怕 。 工 当

21、“ 图电池充放电等效回路 如图，我们把电阻等效为，那么充电时的端电压表达式为 圪。，相应的，放电时端电压表达式为： “一，。“四 从这两个公式可以看出，在充电和放电时，电池端压所表示的值都不是真正电池的电动势，而是加上了电池组内阻的影响。 图中的放电曲线是在很小的放电率（即放电电流）情况下测得的。不同的放电率下，电池电压的变化有很大的区别。放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低，如图所示。浙江大学硕士学位论文 埠 ，錾墨罩： 图，不同放电率下电池电压与容量的关系（电池终止电压为 ） 锂离子电池的使用环境温度范围比较宽，可以达到。但是环境温度对电池的放电容量有很大影响，如图所示。采用放电速率，当环境温度为时，可放出额定容量；当环境温度为一时，电池容量下降约，当环境温度为一时，电池.